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        雙線盾構(gòu)隧道斜交下穿既有市政隧道的變形規(guī)律研究

        2020-07-18 01:56:20高剛剛
        四川建筑 2020年3期
        關(guān)鍵詞:紫金港右線監(jiān)測點(diǎn)

        高剛剛

        (西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031)

        隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn),城市地鐵數(shù)量及規(guī)模得到空前發(fā)展。由于受到城市地下空間資源有限、地下建(構(gòu))筑物數(shù)量增多、地質(zhì)條件與工程環(huán)境條件日益復(fù)雜等因素的影響,新建城市地鐵隧道近接既有建(構(gòu))筑物的現(xiàn)象日益增多。

        文獻(xiàn)[1-6]對盾構(gòu)下穿既有隧道這一問題已經(jīng)有了一定的研究,然而,目前已有研究中存在以下問題:(1)對于盾構(gòu)隧道下穿公路框架隧道的研究較少;(2)研究多集中于隧道正交下穿對于上部隧道的影響,而實(shí)際中隧道正交下穿的情況較少;(3)對于下穿施工不同階段(下穿前、穿越中、穿越后)中施工技術(shù)參數(shù)影響的研究相對較少。本文以杭州地鐵五號線浙三區(qū)間斜交下穿紫金港路隧道工程為依托,研究了既有市政隧道受雙線盾構(gòu)隧道斜交下穿時的變形規(guī)律,以及注漿壓力和地層加固措施的影響規(guī)律。

        1 工程概況

        杭州地鐵5號線浙大紫金港站-三壩村站區(qū)間下穿紫金港隧道,新建隧道與既有隧道之間的空間相對關(guān)系如圖1、圖2所示,隧道頂與紫金港隧道底部凈距約4 m,紫金港隧道為市政公路隧道,結(jié)構(gòu)為矩形框架混凝土結(jié)構(gòu),明挖法施工,盾構(gòu)通過范圍內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用SMW工法樁,內(nèi)部型鋼已全部拔除,已預(yù)留盾構(gòu)通過條件。為了減小地鐵盾構(gòu)隧道的施工對紫金港路隧道的影響,在紫金港路隧道施工期間,已經(jīng)對隧道底部地層進(jìn)行了三軸水泥土攪拌樁加固,樁長6 m。

        圖1 盾構(gòu)下穿紫金港隧道總平面

        圖2 盾構(gòu)下穿紫金港隧道剖面(單位:m)

        2 計算說明

        2.1 計算模型

        本章采用Flac3d軟件進(jìn)行三維建模計算,模型長108 m,寬91 m,高52.8 m,地鐵區(qū)間隧道拱頂埋深為19.1 m,紫金港路隧道結(jié)構(gòu)頂板埋深為3.3 m,底板埋深為15.3 m,地鐵區(qū)間隧道拱頂與紫金港路隧道結(jié)構(gòu)底板之間的距離約為3.8~4.0 m,地鐵區(qū)間隧道中心線與紫金港路隧道中心線交角約為51 °,三維計算模型如圖3所示。

        圖3 三維計算模型(單位:m)

        2.2 計算參數(shù)

        依據(jù)勘察報告中給出的地層物理力學(xué)參數(shù)建議值和部分規(guī)范、文獻(xiàn)中給出的地層參考建議值,確定基于Mohr-Coulomb模型的各地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示,根據(jù)前人的研究成果,計算中彈性模量一般取壓縮模量的2~5倍,本模型取3.5倍。有關(guān)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)按規(guī)范取值如表2所示,本模型管片的整體剛度折減系數(shù)為0.8。

        表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

        表2 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

        盾構(gòu)開挖時,注漿壓力和土倉壓力用等效荷載代替。由于本章研究中隧道埋深不變,所以土倉壓力(即掌子面等效平衡荷載)保持不變,為0.2 MPa。每次開挖1環(huán)(即1.2 m),盾構(gòu)掘進(jìn)過程模擬示意如圖4所示。

        3 計算結(jié)果分析

        3.1 盾構(gòu)隧道下穿既有市政隧道的施工影響規(guī)律

        3.1.1 沿新建盾構(gòu)隧道走向的沉降規(guī)律

        J6-1~J6-6監(jiān)測點(diǎn)為既有隧道結(jié)構(gòu)上沿左線中心線布置的(圖1、圖2)。注漿壓力為0.15MPa及地層加固條件下左線及右線開挖過程中J6-1~J6-6監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移-掘進(jìn)距離關(guān)系圖如圖5所示。由圖5可以看出,左線開挖時,監(jiān)測點(diǎn)的沉降值隨著掌子面的推進(jìn)在逐漸增大,當(dāng)掌子面通過監(jiān)測點(diǎn)之后,監(jiān)測點(diǎn)開始上浮并趨于穩(wěn)定,這是因?yàn)榧扔惺姓淼赖拇嬖冢沟孟麓┒蔚乃翂毫p小,相當(dāng)于覆土厚度減小。由于既有市政隧道結(jié)構(gòu)的整體剛度較大,所以既有隧道結(jié)構(gòu)上監(jiān)測點(diǎn)的變形并不大,J6-1~J6-2監(jiān)測點(diǎn)的豎向變形較J6-3~J6-6監(jiān)測點(diǎn)的大,說明紫金港路主隧道的抵抗變形能力比匝道的大。右線開挖時,監(jiān)測點(diǎn)的變形值在左線開挖后的基礎(chǔ)上繼續(xù)變形,變形規(guī)律和左線開挖時的規(guī)律類似。

        圖5 左右線開挖時,J6-1~J6-6監(jiān)測點(diǎn)豎向變形

        3.1.2 沿既有市政隧道走向的沉降規(guī)律

        J1-1~J1-5監(jiān)測點(diǎn)為匝道結(jié)構(gòu)上沿走向布置的,注漿壓力為0.15 MPa及地層加固條件下左線及右線開挖過程中J1-1~J1-5監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移-掘進(jìn)距離關(guān)系圖如圖6所示。由圖6可以看出,左線開挖時,J1-1~J1-5監(jiān)測點(diǎn)的沉降最大值隨著與左線中心線的水平距離增大而減小,監(jiān)測點(diǎn)位移值的拐點(diǎn)可以反映出監(jiān)測點(diǎn)的變形趨勢并非相同的,而是根據(jù)與掌子面的走向距離越近的越早出現(xiàn)。當(dāng)掌子面通過監(jiān)測點(diǎn)之后,監(jiān)測點(diǎn)開始上浮并趨于穩(wěn)定,由于既有市政隧道結(jié)構(gòu)的整體剛度較大,所以既有隧道結(jié)構(gòu)上監(jiān)測點(diǎn)的變形并不大。右線開挖時,監(jiān)測點(diǎn)的變形值在左線開挖后的基礎(chǔ)上繼續(xù)變形,變形規(guī)律和左線開挖時的規(guī)律類似,且最終變形較小。

        圖6 左右線開挖時,J1-1~J1-5監(jiān)測點(diǎn)豎向變形

        由圖7可以看出,左線開挖時,J1-1~J1-5監(jiān)測點(diǎn)的沉降最大值隨著與左線中心線(x=-6.5m)的水平距離增大而減小。由圖8可以看出,右線開挖時,J1-1~J1-5監(jiān)測點(diǎn)的沉降最大值隨著與右線中心線(x=6.5m)的水平距離增大而減小。

        圖7 左線開挖時,J1-1~J1-5監(jiān)測點(diǎn)豎向變形

        圖8 右線開挖時,J1-1~J1-5監(jiān)測點(diǎn)豎向變形

        3.2 注漿壓力對既有市政隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律

        J6-1監(jiān)測代表點(diǎn)在不同注漿壓力及地層加固條件下左線及右線開挖過程中監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移-掘進(jìn)距離關(guān)系如圖9所示。由圖9可以看出,左線開挖時,在注漿壓力為0.15 MPa下,J6-1監(jiān)測點(diǎn)先發(fā)生沉降,當(dāng)掌子面通過監(jiān)測點(diǎn)(26環(huán))之后,監(jiān)測點(diǎn)開始上浮并趨于穩(wěn)定,最終變形值為-0.25 mm;在注漿壓力為0.20 MPa下,J6-1監(jiān)測點(diǎn)先發(fā)生沉降,但沒有0.15 MPa的明顯,當(dāng)掌子面通過監(jiān)測點(diǎn)之后,監(jiān)測點(diǎn)開始上浮并趨于穩(wěn)定,最終變形值為0.4 mm;在注漿壓力為0.25 MPa下,J6-1監(jiān)測點(diǎn)一開始就表現(xiàn)為上浮,當(dāng)掌子面通過監(jiān)測點(diǎn)之后,監(jiān)測點(diǎn)上浮的趨勢更明顯,最終趨于穩(wěn)定,變形值約為0.7 mm;在注漿壓力為0.30 MPa下,J6-1監(jiān)測點(diǎn)的變形規(guī)律與0.25 MPa的類似,最終變形值為0.9 mm。右線開挖時,監(jiān)測點(diǎn)的變形值在左線開挖后的基礎(chǔ)上繼續(xù)變形,變形規(guī)律和左線開挖時的規(guī)律類似。

        圖9 左右線開挖時,J6-1監(jiān)測點(diǎn)在不同注漿壓力下的豎向變形

        3.3 地層加固對既有市政隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律

        J6-1監(jiān)測代表點(diǎn)在注漿壓力為0.15 MPa及地層加固與不加固條件下左線及右線開挖過程中監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移-掘進(jìn)距離關(guān)系如圖10所示。由圖10可以看出,左線開挖時,在地層加固條件下,J6-1監(jiān)測點(diǎn)的最大沉降值為-0.7 mm,最終變形值為-0.25 mm;在地層不加固條件下,J6-1監(jiān)測點(diǎn)的最大沉降值為-0.9 mm,最終變形值為-0.55 mm,與地層加固條件下的變形值相比,分別增大了28.5 %、120 %。右線開挖時,J6-1監(jiān)測點(diǎn)的變形值在左線開挖后的基礎(chǔ)上繼續(xù)變形,與地層加固條件下的變形值相比,分別增大了58.3 %、225 %。

        圖10 左右線開挖時,J6-1監(jiān)測點(diǎn)在地層加固與不加固條件下的豎向變形

        根據(jù)圖5可知,既有市政隧道結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)隧道開挖過程中發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形。地層在加固和不加固條件下,既有市政隧道結(jié)構(gòu)的豎向變形放大圖如圖11、圖12所示,對于混凝土結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形將會對結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生極為不利的影響,嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)變形還會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的開裂,影響其的正常使用和耐久性。由圖11、圖12可知,在地層采取三軸水泥土攪拌樁加固之后,減小了既有市政隧道結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形。

        圖11 地層加固條件下,左線開挖時J6-1~J6-6監(jiān)測點(diǎn)斷面結(jié)構(gòu)豎向變形放大(單位:mm)

        圖12 地層未加固條件下,左線開挖時J6-1~J6-6監(jiān)測點(diǎn)斷面結(jié)構(gòu)豎向變形放大(單位:mm)

        4 結(jié)論

        以杭州地鐵5號線浙大紫金港站-三壩村站區(qū)間下穿紫金港路隧道為工程背景,采用均布環(huán)向注漿力和等代層模擬盾尾同步注漿,研究了盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿紫金港路隧道對隧道結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律,分析了注漿壓力及地層加固與否等因素對既有市政隧道結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律,得出以下結(jié)論:

        (1)既有市政隧道的豎向變形值隨著掌子面的推進(jìn)在下沉,當(dāng)掌子面通過監(jiān)測點(diǎn)之后,監(jiān)測點(diǎn)開始上浮并最終趨于穩(wěn)定,由于既有市政隧道結(jié)構(gòu)的整體剛度較大,所以既有隧道結(jié)構(gòu)的變形并不大,匝道的豎向變形較紫金港路主隧道的大。既有隧道結(jié)構(gòu)的變形最大值隨著與盾構(gòu)線路中心線的水平距離增大而減小。

        (2)既有市政隧道的豎向變形值會隨著注漿壓力的增大而增大,根據(jù)計算結(jié)果,結(jié)合非下穿段的地表沉降值,建議盾構(gòu)在非下穿段采用0.3 MPa的注漿壓力,在下穿段采用0.15 MPa的注漿壓力。

        (3)既有市政隧道的豎向變形值會因?yàn)榧扔惺姓淼赖撞康貙硬扇∪S水泥土攪拌樁加固措施而減小。采取地層加固措施既提高了既有市政隧道底部地基的承載力,又減小了盾構(gòu)區(qū)間隧道與既有市政隧道之間在施工及運(yùn)營期間的相互影響。

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