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        地鐵隧道變形控制門架式保護(hù)方案研究

        2022-07-15 02:40:42
        城市軌道交通研究 2022年6期
        關(guān)鍵詞:廊道號線土體

        彭 琦

        (深圳市市政設(shè)計研究院有限公司,518029,深圳∥高級工程師)

        臨近地鐵的工程項目施工,不可避免地會對已建地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施的安全和運營產(chǎn)生影響[1-5]。在地鐵隧道上方開挖基坑,開挖卸荷引起坑底地層回彈變形,亦會造成下方地鐵隧道結(jié)構(gòu)的隆起變形。大面積的基坑開挖引起隧道隆起變形現(xiàn)象更加突出,一方面因為基坑開挖帶來的大范圍卸荷,引起地層和隧道產(chǎn)生較大隆起變形;另一方面會造成基坑底部地層擾動,地層力學(xué)指標(biāo)降低,加劇隆起變形。目前,研究主要集中在理論分析、數(shù)值模擬計算和工程措施等方面。文獻(xiàn)[6-8]采用數(shù)值模擬方法,對基坑開挖引起臨近既有隧道變形的影響規(guī)律、影響因素等進(jìn)行了系統(tǒng)研究,并提出了改進(jìn)計算方法,提高了計算的準(zhǔn)確度;文獻(xiàn)[9-10]結(jié)合具體工程案例,針對既有地鐵隧道正上方基坑開挖引起的變形控制措施進(jìn)行了深入分析。一般而言,分段、分層、分步開挖,減小卸荷面積和強度,加固隧道上方土體等措施可有效減小下方隧道的隆起變形。對于地層條件差、開挖深度深、基坑底部與隧道間的夾土厚度薄、隧道隆起變形控制難度高的情況,地鐵隧道門架式保護(hù)方案是有效的控制措施[10]。

        本文以深圳市前海市政工程雙界河水廊道工程為例,采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等方法,系統(tǒng)地分析了地鐵隧道門架式保護(hù)方案在工程中的運用,以期為同類工程提供參考。

        1 工程概況

        雙界河水廊道工程位于深圳市前海合作區(qū),該工程的實施實現(xiàn)了河道防洪、水質(zhì)提升、生態(tài)景觀建設(shè)等目標(biāo)。雙界河水廊道工程將現(xiàn)狀雙界河主槽向南偏移35 m,主槽寬度為30~35 m,堤距為155~263 m,主槽開挖段地面平均高程為4.33 m,地下水平均高程約1.58 m,平均開挖深度約6.70 m。已建深圳地鐵1號線(以下簡為“1號線”)、5號線,前海車輛段左、右出入線,11號線與雙界河水廊道存在交叉關(guān)系,見圖1。交叉區(qū)段內(nèi)1號線隧道頂板高程約-8.0 m,5號線隧道頂板的平均高程約-6.3 m,11號線隧道頂板高程約-11.0 m。雙界河水廊道工程部分開挖區(qū)段位于地鐵隧道結(jié)構(gòu)的正上方,位置敏感,工程難度和風(fēng)險較大[11]。

        圖1 雙界河水廊道工程與地鐵線路平面位置關(guān)系圖

        雙界河水廊道工程場地內(nèi)自上而下分布的巖土層如下:① 雜填土,局部分布,層厚約3.20 m;② 填石層,以塊石為主,其間隙充填礫質(zhì)黏性土、砂土或碎石土,平均厚度約5.17 m;③ 軟土,其性質(zhì)基本上同濱海相淤泥,平均厚度約3.5 m,原位十字板剪切試驗強度平均值為8.9 kPa;④ 淤泥質(zhì)土,局部分布,平均厚度為1.87 m,標(biāo)貫平均擊數(shù)為4.5擊;⑤ 殘積土層,場地內(nèi)分布廣泛、連續(xù),為花崗巖風(fēng)化殘積而成,平均厚度為5.46 m,標(biāo)貫平均擊數(shù)為14.3擊;⑥ 下伏基巖地層,分布廣泛且連續(xù)穩(wěn)定,基巖多已風(fēng)化為全風(fēng)化巖、強風(fēng)化巖、弱風(fēng)化巖和微風(fēng)化巖,風(fēng)化較強烈,風(fēng)化帶較厚[11]。

        地鐵隧道主要位于淤泥質(zhì)土和殘積土層中。

        2 地鐵隧道門架式保護(hù)設(shè)計方案

        1號線、5號線及前海車輛段左出入線同本工程水廊道平面上存在交叉關(guān)系,交叉段開挖深度為3~7 m。

        地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工,管片直徑為6.0 m,厚0.3 m。地鐵隧道采用門架式結(jié)構(gòu)的整體保護(hù)方案。如圖2~3所示,以1號線保護(hù)區(qū)段為例,地鐵隧道兩側(cè)打設(shè)截水旋噴樁。旋噴樁樁徑為800 mm,樁間距為650 mm,樁長為6 m;實施井點降水,井深11 m。本工程實施分期、分段施工,分段長度為10 m。首先進(jìn)行第1層土體開挖,再放坡開挖第2層土體至標(biāo)高1.0 m上,形成臨時施工平臺;在兩隧道兩側(cè)3.5 m范圍外共打設(shè)3排鉆孔灌注樁(樁頂標(biāo)高約-2.0 m),灌注樁樁徑為1.2 m、間距為4 m、樁長為16 m,樁體起抗拔作用;對標(biāo)高-2.0 m以下隧道上部土體進(jìn)行注漿加固;放坡開挖至主槽底設(shè)計標(biāo)高(約為-2.0 m)處時,在灌注樁樁頂澆筑鋼筋混凝土蓋板,灌注樁與蓋板澆筑固結(jié),形成門架式結(jié)構(gòu),以減小隆起變形;最后進(jìn)行大范圍的平層開挖,完成雙界河水廊道斷面范圍內(nèi)的土體開挖[11]。

        注:除標(biāo)高以m計外,其余單位均為mm,圖3同。

        圖3 地鐵隧道門架式保護(hù)結(jié)構(gòu)縱斷面Fig.3 Profile-section of metro tunnel door protection structure

        3 地鐵隧道門架式保護(hù)方案數(shù)值分析

        為了全面分析雙界河水廊道工程土方施工對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響,以1號線保護(hù)區(qū)段為例,采用數(shù)值模擬方法,分別對門架式護(hù)方案、注漿加固保護(hù)方案和不采取加固保護(hù)方案等3種方案下地鐵隧道和巖土體的應(yīng)力、變形進(jìn)行了模擬,并對比分析了地鐵隧道變形及其分布特征。

        3.1 基坑開挖流程

        門架式加固保護(hù)方案、注漿加固保護(hù)方案和未采取加固保護(hù)方案3種方案下土層開挖都為由高到低逐層開挖。為了保證對比分析的可靠性,3種方案的分級逐層開挖方式都一致,僅在具體加固保護(hù)步驟不同。根據(jù)實際的施工步驟,首先進(jìn)行第1層土的開挖,土體厚約1.5 m;再放坡開挖第2層土,第2層土開挖完成后,根據(jù)門架式加固保護(hù)方案需進(jìn)行注漿和抗拔樁施工;而后進(jìn)行基坑下層土體的放坡開挖,最后進(jìn)行平層開挖至設(shè)計高程。每次開挖步完成后,進(jìn)行收斂計算來模擬該開挖過程土體的應(yīng)力釋放和變形過程,然后進(jìn)入下一個開挖步計算[12-14]。

        3.2 模型的建立

        以1號線保護(hù)區(qū)段為例,采用FLAC3D巖土數(shù)值計算軟件對模型進(jìn)行計算分析。巖土體物理力學(xué)參數(shù)參考地勘資料和《工程地質(zhì)手冊》,并結(jié)合工程經(jīng)驗選取,見表1。

        表1 1號線保護(hù)區(qū)段巖土體物理力學(xué)參數(shù)

        土體開挖的降水過程通過model flnull單元來實現(xiàn),抗拔樁通過FLAC3D自帶的pile單元來模擬;隧道盾構(gòu)管片和蓋板結(jié)構(gòu)通過實體單元來模擬,彈性模量取25 GPa。模型邊界采用法向位移約束,地面為自由面。在基坑開挖過程加載模擬中,巖土體均采用彈塑性本構(gòu)模型Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。

        以門架式保護(hù)方案為例,整個數(shù)值模擬流程可以分為以下5個步驟:① 建立1號線隧道結(jié)構(gòu)模型,并進(jìn)行開挖施工;② 雙界河水廊道淺層第1層土的開挖;③ 雙界河水廊道淺層第2層土的開挖;④ 門架式結(jié)構(gòu)施工與土體開挖;⑤ 完成雙界河水廊道開挖和支護(hù)工程。

        3.3 基坑開挖過程數(shù)值模擬分析

        以門架式保護(hù)方案模擬為例,建立1號線隧道結(jié)構(gòu)模型,再按照實際施工流程進(jìn)行雙界河水廊道基坑開挖施工模擬。

        3.3.1 基坑淺層土體開挖模擬

        雙界河水廊道淺層(第1~2層)土體開挖至注漿施工平臺,開挖土體厚約3.33 m。開挖前,先降水后開挖。開挖時,首先進(jìn)行平層開挖,然后進(jìn)行放坡開挖,開挖土體主要為填石?;拥装寰嚯x隧道結(jié)構(gòu)約7 m,且此階段土體開挖未采取加固措施。通過模擬分析,基坑底板的回彈變形為10.63 mm,引起的隧道結(jié)構(gòu)的最大隆起變形為7.45 mm。

        3.3.2 門架式結(jié)構(gòu)施工和基坑土體開挖模擬

        開挖至注漿施工平臺后,進(jìn)行隧道上部土層的注漿加固和抗拔樁的施工;開挖至蓋板處后,再進(jìn)行蓋板的施工。該施工步完成后隧道結(jié)構(gòu)的隆起變形為9.40 mm。

        3.3.3 基坑大范圍平層土體開挖模擬

        大范圍平層開挖為基坑土體開挖的最后一個施工步,此階段需進(jìn)行基坑兩側(cè)放坡坡體的大范圍開挖卸荷施工。基坑土體開挖完成后,隧道結(jié)構(gòu)的累積隆起變形為9.86 mm。這得益于平層土體開挖卸荷引起的隧道結(jié)構(gòu)變形本身就較小,以及門架式結(jié)構(gòu)和注漿土體的抗隆起變形能力。

        3.3.4 抗拔樁加長前后對比分析

        門架式加固保護(hù)方案設(shè)計樁長為19 m;而對比方案中擬增加樁長5 m,樁長達(dá)到24 m。對兩種樁長下地鐵隧道的隆起變形進(jìn)行了比較分析。增加樁長后,地鐵隧道結(jié)構(gòu)的最終變形為9.48 mm,相比未增加樁長時減小了約0.38 mm,效果不明顯,綜合效益不高。

        3.4 地鐵隧道保護(hù)方案對比分析

        圖4為3種方案下地鐵隧道隆起變形對比。主要表現(xiàn)的現(xiàn)象和特征有:

        1) 采用加固措施后,地鐵隧道隆起得到了抑制,變形明顯減小,尤其是采用門架式加固保護(hù)方案后,地鐵隧道隆起變形控制在10 mm以內(nèi),滿足地鐵保護(hù)區(qū)的要求。

        2) 相比另外兩種方案,門架式加固保護(hù)方案實施后,地鐵隧道及臨近巖土體隆起變形明顯比兩側(cè)變形小。說明該方案有效減小了地層和隧道的變形,驗證了方案的有效性和合理性。

        圖4 3種施工方案下地鐵隧道隆起變形對比圖

        4 地鐵隧道現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬對比分析

        為實時監(jiān)測基坑開挖時地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形,獲取隧道結(jié)構(gòu)的安全狀況,在隧道內(nèi)進(jìn)行了自動化監(jiān)測,主要對開挖影響區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了斷面變形監(jiān)測。1號線保護(hù)區(qū)段監(jiān)測平面布置和監(jiān)測斷面測點布置見圖5~6,每條隧道每10 m布置1個監(jiān)測斷面,每個監(jiān)測斷面布置5個監(jiān)測點。

        注:S1—S8為監(jiān)測斷面。圖5 1號線保護(hù)區(qū)段監(jiān)測平面布置圖Fig.5 Layout of Line 1 protection section monitoring plan

        注:R為曲線半徑,單位為mm。圖6 1號線保護(hù)區(qū)段隧道斷面測點布置圖

        采取門架式加固保護(hù)方案后,對圖7和表2中地鐵隧道的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),其數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果吻合度較高?;訙\層土體開挖過程中,由于卸荷范圍和卸荷強度較大,且對下方隧道未采取相關(guān)的加固保護(hù)措施,該階段地鐵隧道隆起變形較大;進(jìn)行土體加固和門架式結(jié)構(gòu)施工后,地鐵隧道現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)為7.80 mm,比數(shù)值模擬結(jié)果小,隧道隆起變形得到明顯控制,滿足地鐵保護(hù)區(qū)隧道結(jié)構(gòu)安全的相關(guān)規(guī)定。

        圖7 地鐵隧道拱頂隆起現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算數(shù)據(jù)對比圖

        表3 1號線隧道現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

        5 結(jié)論

        1) 相比注漿加固保護(hù)方案和未采取加固保護(hù)方案,門架式保護(hù)方案對地鐵隧道變形的控制針對性更強,效果更加明顯,安全保護(hù)性更可靠。

        2) 門架式保護(hù)結(jié)構(gòu)中抗拔樁加長到一定程度后,繼續(xù)增加樁長對控制地鐵隧道變形的效果不明顯,綜合效益不高。

        3) 后續(xù)需根據(jù)不同地質(zhì)條件、不同隧道型式等因素,深入分析門架式保護(hù)結(jié)構(gòu)的型式及其相關(guān)參數(shù),以指導(dǎo)設(shè)計施工。

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