（岩土工程专业论文）城市过街地道设计施工关键问题研究.pdf

浙江f t 业人学硕l ：学位论义摘要 城市过街地道设计施工关键问题研究 摘要 修建人行地下通道是缓解城市交通拥挤、保障行人交通安全、提高城市运行 效率的一项有效措施。人行地道施工不可避免对周边环境造成不利的影响，严重 者可能影响地面建( 构) 筑物和地下管线的f 常使用。因此，选择合适的施工方 法减小其环境效应具有非常重要的工程意义。本报；与在前人研究成果的基础上结 合实际情况对城市人行地下通道施工技术及其环境效应进行了较系统的研究。 本文结合广州市明月二路地下人行过街通道工程，首先采用规范推荐的常规 计算方法计算衬砌结构的内力和变形，依据规范相关规定取定计算截面和截面上 所受荷载，计算时采用s a p 2 0 0 0 辅助计算：然后采用三维有限差分f l a c 如对工 程进行模拟计算，验证衬砌结构的内力和变形，并模拟不同的施工方法，以确定 满足通道稳定和能严格控制地面沉降的施工方法，主要内容如下： ( 1 ) 采用常规计算方法并结合s a p 2 0 0 0 辅助计算对富水地层浅埋过街地道 的内力进行了分析，通过所受内力与承载力极限值的对比发现弯矩是控制衬砌结 构断面的主要因素。 ( 2 ) 介绍了在城区软土条件下，采用管幕超前预支护、掌子面深孔注浆加固、 短开挖、强支护等综合浅埋暗挖施工技术，地表垂直降水和洞内长短管地层降水 技术。并应用有限差分软件f l a c 3 d ，对其施：1 = 效应进行了计算分析。分析结果 表明，施工过程中洞室结构稳定，浅埋暗挖管幕预支护施工方法对于富水地层修 建地下通道切实可行，并可满足洞内施工安全与地表沉降控制要求，所得结果可 为后续类似工程提供一定的理论参考。 ( 3 ) 基于明月二路地下人行过街通道工程，对人行地下通道埋深4 m 时的施 工技术进行了详细的数值模拟和分析，对丌挖参数( 丌挖方法和开挖长度) 进行 数值模拟分析。在保证结构和周边环境安全的前提下，对软土中修建人行地下通 道施工工艺( 包括开挖方法、开挖进尺) 给出合理的建议。 关键词：地下过街通道；富水地层；有限差分法；浅埋暗挖；环境效应； 浙江下业人学顾j j 学位论文 s t u d yo nk e y i s s u e so f d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f u n d e r g r o u n dp e d e s t r i a nc ! r o s s i n g a b s t r a c t u n d e 印a s si s a ne f - f e c t i v e w a yt or e d u c ec i t ) ，t r a m cc o n g e s t i o n ，t oe n h a n c e p e d e s t r i a ns a f e t ya n dt oi m p r o v et h er u n n i n ge m c i e n c yo fc i 够t h ei n | 1 u e n c eo ft h e u n d e 巾a s sc o n s t r u c t i o no nt h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n ti si n e v i t a b l e ，w h i c hm a va f f e c t t h en e i 曲b o r i n gb u i l d i n g sa n dt h en o r m a lu s eo ft h e i n f r a s t r u c t u r e s t h e r e f o r e i ti s s l g l l l f c a n tt os e l e c ta na p p r o p r i a t ec o n s t m c t i o nm e t h o dt o r e d u c et h ee n v i r o n m e n t a l i n n u e n c e o nt h eb a s i so fd a t ac o l l e c t i o na n dc a s ei n v e s t i g a t i o n ，as y s t e m a t i cs t u d yh a s b e e nc a m e do u to nt h ec i t yu n d e 叩a s sc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e sa j l dt h ee n v i r o m e n t a l i m p a c t f i r s t l y ，f o rt h ec a s eo fm i n g y u er o a d2 拌u n d e 印a s si n g u a n g z h o u ，c h i n a ， a u c c o r d i n gt om eg e n e r a lc a l c u l a t i o nm e t h o dr e c o m m e n d e db yt h en a t i o n a lc o d e ，t h e i n t e m a lf o r c e sa n dd e f o r m a t i o no ft h ei i n i n gs t r u c t u r ew e r ec a l c u l a t e db vt h ea i do ft h e s o r 、 ，a r eo fs a p 2 0 0 0 t h ec a l c u l a t i o ns e c t i o na n dt h ea p p l i e df 0 r c e sw e r ed e t e l l m i n e d a c c o r d i n gt o t h ec o d e s e c o n d l y ，f i n i t e d i f 诧r e n c ee l e m e n ts o r w a r ef l a c 3 dw a s 印p l i e dt os i m u l a t ed i 疏r e n tc o n s t r u c t i o nm e t h o d st os e ew h i c ho n ec o u l dg u a r a n t e e t h ec r o s s i n g ss t a b i l i t ya n d s t r i c t l yc o n t r 0 i t h eg r o u n ds u b s i d e n c e t h em a i nc o n t e n t s 锄r ea sf o l l o w s ( 1 ) b yc o n v e n t i o n a lm e t h o da i d e db ys a p 2 0 0 0c a l c u l a t i o n ，i n t e m a lf 0 r c e so ft h e s l l a l l o w b u r i e du n d e 叩a s si na q u e o u ss o i lw e r ec o m p u t e d b yc o m p a r i n gt h ei n t e m a l f o r c e sw i t ht h e b e a r i n gc a p a c i t i e s ，i t 、v a sc o n c l u d e dt h a ti ti st h em o m e n tw h i c h c o n t l o l st h ed e s i g no ft h el i n i n gs e c t i o n ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h e c a s eo fm i n g y u e - r o a d7 i 、o u n d e 唱r o u n dp e d e s t r i a ni n g a n g z h o u ，c h i n a ， t h e c o n l p r e h e n s i v ec o n s t i u c t i o n t e c h n i q u e so fs h a l l o w b u r i e d u n d e 唱r o u n dt u n n e l i n gi ns i l ts t r a t u mw e r ei n t r o d u c e d ，s u c ha sp i p e p r e s u p p o r t t e c l u l i q u e ，g r o u t i n gt e c h n i q u ef o rt u n n e lf a c e ，s h o r t d i s t a n c ee x c a v a t i o na n ds t r o n g s u p p o n i n gt e c h n i q u e t h es u r f a c ev e i r t i c a ld e w a t e r i n ga n ds t r a t ad e w a t e r i n gt e c h n i q u e o fc o m b i n i n gl o n gp i p e sw i t hs h o r tp i p e s ，w e r ea l s ot a l k e da b o u t t h ef i n i t e d i f 五踟_ e n c e 塑垩三些叁兰堡! ：兰竺笙兰一 s o 胁r ef l a c 3 dw a su s e d t os i m u l a i e t h ec o n s t m c t i o n e 脓b t h e c a l c u 协m r _ n 5 s u g g e s tt h a tt h e 咖e lk e e p s s 协b l ea l l a l o n g i nc o n s 眦廿o np r o c e 8 文r h ? 少 p r 三u p p 。r tt e c h n i q u ei sp r a c t i c a l a n df e a s i b l ei n 吼d e r g r o u n dt u n n e l i n gw i t hs h a l b ：) v e r b u r d e ni na q u e o u ss i l ts t r a t 眦s i n c et h eg r o 吼d s a f e t y 锄d s u b s 试e n c ew e r ew e 儿 c 。叫嚣黑：蒸然黧：二兰：烹：冀嚣葚掌裟盎三：淼s o i ( 3 )ad e t a i l e dn u m e r i c a ls l m u l a t l o n o ia | i i l 。l c p l l lu u i k uu i r w a sc o n d u c t e dt os t u d yt h ei n n u e n c eo fc o n s t r u c t i o nt e c h n 0 1 0 9 y d i f f e r e n t d i g g i n g l e n g t h sa n dt h ed i v i s i o nl e n g t h so f t h ee x c a v a t i o nh a db e e ns i m u l a t e d o nt h ep r e m i s e o fm es a f e t yo fu n d e r p a s sa n ds u r r o u n d i n ge n v i r o m n e n t ， r e a s o n a b l ep r o p o s a l sh a v e b e e ng i v e nt 。u n d e r p a s sc 。n s t m c t i 。nt e c h n 。l 。g yw h e n i ti sb u i l t s o rs o i l n a td i 蕊r e n td e p t h so f f i n i t e d i 低r e n c e m 舐塔舒一枞 卿m | 一 飞砸 吾如 e m 幽 耐吡刚僦 北叔 m w 豇m m m w 矾脚耄 浙江t 业人学颂f ：学位论义目录 目录 第l 章绪论1 1 1 课题的米源及意义l 1 2 课题相关内容研究现状2 1 3 本文研究方法及内容7 第2 章城区地下过街通道衬砌结构计算与分析9 2 1 引言9 2 2 工程概况9 2 2 衬砌结构荷载计算：l l 2 3 衬砌结构计算过程及结果分析i5 2 4 小结：2 l 第3 章通道始发竖井施工力学行为研究2 3 3 1 计算程序f l a c 3 d 简介2 3 3 2 竖井施i ：力学行为研究3 1 3 3 ，j 、结：4 1 第4 章浅埋暗挖施工地道地表沉降控制4 2 4 1 用于修建城市地卜l ：稃的浅埋暗挖法4 2 4 2 浅埋暗挖地表变形分析方法4 3 4 3 浅埋暗挖地层变形控制1 ：法4 7 4 4 城市富水地层浅埋暗挖施j ：关键技术5 2 4 5 小结：5 8 第5 章过街通道工程主体施工关键技术及环境效应分析5 9 5 1 暗挖通道：l ：程沉降影响冈素及时空效应分析5 9 5 2 过街地道模型建立及参数选取6 4 5 3 计算结果分析：7 0 5 4 小结8 7 第6 章浅埋暗挖过街通道信息化设计与施工技术8 9 6 1 信息化设计技术8 9 6 2 信息化施1 ：技术一9 0 6 3 浅埋暗挖过街通道信息化设计施j ：中的监控测量9 l 6 4 小结9 5 第7 章结论与展望9 6 7 1 结论9 6 7 2 展望9 7 参考文献i 致 谢1o l 塑垩! 些叁堂堡! ：兰竺笙茎 塑变望羔垡坚型生兰堑三薹堡塑塑坠 1 1 课题的来源及意义 第1 章绪论 目前，随着经济的发展，现代化城市化进程明显加快。一方面由于城市人口 持续增加，导致城市用地同益紧张，土地供应严重不足；而另一方面，由于人口 密集、城市机能和设施的不断扩大和高度现代化，现代城市又亟需解决城市容量 的扩张问题。 城市扩容受当地资源和人口密度等多种因素的制约，目前国际上主要有两大 类城市化扩容模式可供选择。一类是美国、加拿大、澳大利亚的“外延式”城市 扩容模式。由于人均占有的土地资源比较丰富，美国、加拿大、澳大利亚的城市 规划建筑密度比较低，而且主要在两维空问内扩大城市空间容量，形成外延式的 扩张模式，土地利用效率低下。二类是r 本、新加坡和中国香港“内含式 的城 市扩容模式。由于人均占有的土地资源比较少，这些国家与地区的城市规划既保 持城区较高的建筑密度，又充分开发利用了地下空间，在三维空间内扩大城市空 间容量，从而最大限度提高了土地资源的利用率。因此，随着经济发展和人口密 度的增加，兴建地下工程结构j 下成为拓宽国内外现代化大城市地理空问的一个有 效手段【1 1 。 由于我国人口众多，土地资源相对匮乏，因此决定了宜按照“内含式”的城 市扩容模式解决城市土地供应不足的问题。除了需要适当提高建筑物密度，增加 建筑高度，还需要充分利用地下空间进行立体化开发，从两维平面开发的模式转 向三维式立体化的城市开发模式，以扩大城市容量。充分利用地下空间的优点在 于，一方面可以最大限度地利用土地资源，使地上过于拥挤的人流、物流、信息 流得到有效分流，有效的扩大城市空间容量，改善城市环境质量，避免或减缓交 通拥挤等城市病的影响。另一方面可以使城市基础设施得到集约化的利用，发挥 其共享的优势，节约城市运转的综合成本，优化与提高城市功能。 地下人行通道使人流与车流分开，能够缓解交通压力，提高交通安全，因此 在交通繁忙段修建地下人行通道非常有必要。广州市明月二路过街通道地处交通 繁忙的明月二路与广州大道交叉口处，下穿广州大道，土质软弱，地下水位高， 且为了不妨碍其上路面的交通，必须严格控制地面沉降量，本文研究的目的就是 通过采用不同的计算方法，研究在这种工程条件下如何确保通道稳定并控制地面 的沉降量。本文的研究对类似工程的计算和施工具有借鉴意义。 浙江- t 业人学顾i j 学位论文 城市过街地道设计施下关键问题研究 1 2 课题相关内容研究现状 1 2 1 地下工程的计算 早年地下工程结构的建设完全依据经验，1 9 世纪初才逐渐形成计算理论，开 始用于指导地下工程结构的设计与施工。当时的地下工程结构大多是以砖石材料 砌筑的拱形工程结构，特点为截面尺寸很大，结构受力后产生的弹性变形很小， 因而最先出现的汁算理论足将地下工程结构视为刚性结构的计算理论，如压力线 理论等。直到l9 世纪后期，混凝土和钢筋混凝土材料陆续出现，并被用于建造 地下工程，使地下工程结构具有较好的整体性。从这时起，地下工程结构开始按 弹性连续拱形框架计算内力，并据以进行截面设计f 3 】。 地下工程结构在主动荷载作用下发生弹性变形的同时，将受到地层对其变形 产生的约束作用。将这类约束作用假设为弹性抗力，地下工程结构的计算理论便 有了与地面结构不同的特点。由此建立了典型的假定抗力方法、弹性地基梁的力 法、角变位移法及不均衡力矩与侧力传播法等。 由于人们认识到地下工程结构与地层足个受力整体，2 0 世纪以来，按连续 介质力学理论建立地下工程结构内力计算方法的研究也逐渐取得成果。已经建立 的方法既有解析解，又有各类数值计算法。随着计算机技术的推广应用和岩土介 质本构关系研究的进展，地下工程结构的数值计算方法有了很大的发展，并己编 制了多种功能齐全的程序软件。 琚娟1 4 】等利用有限元软件研究了基于特征约束的地下空间一体化数据模型， 他们将地层的钻孔数据约束和地下构筑物的设计参数约束统一为离散点的特征约 束，运用边界表示法对地下空间进行一体化建模，从而将地层建模和地下构筑物 建模统一起来，构成地下空间一体化数据模型，作者阐述了这一模型的基本原理， 并给出了数据结构；孙博f 5 】等在已有“特征曲线法”的基础上，提出了更符合工 程实际要求的“围岩位移一支护刚度反应曲线法”，并结合工程实例，应用通用有 限元a n s y s 程序数值模拟了坑道分步丌挖的过程：刘和清f 6 】采用三维空间弹塑 性有限差分法模拟了地铁暗挖隧道的受力与变形特征，研究地铁暗挖隧道初期支 护的作用机理及作用效果，为地铁暗挖隧道的设计与施工提供科学依据；李东勇 p j 等以深圳地铁暗挖隧道施工资料为基础，利用三维模拟程序对暗挖隧道施工过 程及支护结构进行了模拟分析，对于喷射混凝土和格栅钢架组成的隧道初支系统， 考虑了喷射混凝土的时间效应及格栅钢架与喷射混凝土的不同刚度，分析得出支 护结构中的格栅钢架与喷射混凝土的受力是不同的，格栅钢架刚度较大，在施工 过程中承受着主要的围岩荷载，喷射混凝土作为辅助的受力结构，其应力随着混 2 浙江1 二业人学硕l j 学位论文 城市过街地道设汁施t 关键阀题研究 凝土的凝结硬化而增大，与格栅钢架共同承受荷载；贺忠亮1 8 j 等为了解决当前大 型岩土工程单机计算困难、计算时间长、精度低的问题，在弹塑性有限元串行算 法的基础上，提出了考虑岩体锚固问题的弹塑性并行算法，用v c + + 6 o 开发了 基于w i n d o w s 操作系统的并行有限元计算程序，实现了数据的分布式存储和计 算，并在计算机集群( c o w ) 上成功地对水布垭尾水洞洞室支护进行了并行有限元 计算分析；王卫国1 9 】等基于传统有限元理论，吸收数值流形方法中的有限覆盖技 术，将每个结点位移的l a g r a j l g e 型插值空间推广为具有任意多个广义位移的函 数展开式，给出了广义四结点等参单元和一维广义杆单元，推导了单元的广义形 函数，并给出了单元的位移模式；然后进一步推导单元应变矩阵和劲度矩阵以及单 元等效荷栽等有限元列式并结合算例探讨了广义有限元的数值实施措施，针对地 下工程开挖问题，提出广义有限元与传统有限元的联合运用，从而解决了计算效 率和计算精度的问题：c h u n g s i ky o o f l o j 利用有限元方法对已采用纵向管棚加强了 的隧道表面进行了模拟分析，发现纵向管棚能够够减小隧道的变形，从而增加了 隧道的稳定性；g g r a s s e l l i 【i i l 通过实验和数值计算的方式分析了注浆锚杆和膨胀 锚杆的作用方式，指出注浆锚杆和膨胀锚杆的工作原理是完全不同的，使用条件 也不一致。 2 0 世纪7 0 年代起，随着隧道施工力学研究的发展，人们丌始致力于对采用 新奥法施作的隧道建立仿真计算技术的研究，并据以对复合支护提出计算方法和 设计方法，后者同时包括对地下工程施工的安全性监测建立和完善量测技术，以 及对其建立分析理论和对地下工程结构的设计引入反馈设计方法，以优化工程设 计和确保工程施工的安全性。 贾剑青【1 2 】等结合重庆市轻轨较新线大坪车站大跨度地下空间施工支护体系 受力和应力监测的工程实践，分析支护体系初期支护工字钢拱应力、锚杆轴力、 喷射混凝土内应力、喷射混凝土与围岩接触压力、临时工字钢支撑应力、喷射混 凝土与二次衬砌接触压力、二次衬砌钢筋应力等测试结果和变化规律，阐述大跨 度地下空间衬砌结构及参数选择、量测方法及测试手段，并确定支护体系的稳定 性和结构的安全性；胡振瀛1 1 3 l 等调研了国内外地下结构的发展概况，对地下工程 的特点、新奥法等新技术的基本概念及地下结构设计计算方法进行了综述，以便 在开发地下空间时选择合适的地下结构设计方法：地下空间的丌发利用要求将地 层和地下构筑物进行一体化建模：王暖堂【1 4 l 以三维有限元理论分析为先导，模拟 计算了1 0 种情况的施工效应，成功地解决了复杂洞群条件下洞室施工的安全转 换，实现了国内最大单跨地铁隧道( 1 3 1 0 9 m 2 ) 的开挖、支护及整体二次衬砌， 保证了1 0 种不同断面、3 6 处断面变化点的成功过渡，创造了由小到大断面一次 挑高3 4 m 的施工记录，确保了地表下沉量不超过3 0 m m 的位移控制基准，达到 浙江t 业人学硕l j 学位论文 城市过街地道改汁施下关键问题研究 了施工时长安街路面交通和周边商贸的j 下常运营，取得了较好的技术、经济、社 会效益，为类似工程施工研究积累了宝贵的经验；北京地铁西四车站暗挖段，地 处闹市，地面交通繁忙，地质条件复杂，施工难度较大，因此在具体施工前对其 施工工法和洞室稳定性进行细致研究是十分必要的，王海君、朱兰洋【1 5 】采用有限 差分程序f l a c 3 d 对施工方案中设计的管棚、注浆、喷层等支护措施和支护效果 进行数值模拟分析，对具体工法做出了定量的评价，给后期工程的施工提供了一 定的指导；夏国志【1 6 1 等运用f l a c 3 d 软件，结合北京天坛东门地铁车站站后折返 区间具体工程条件，折返区间在采用双侧壁导坑法开挖的情况下，对不同的局部 开挖顺序进行了数值模拟研究，得出了先同时丌挖双侧洞，待支护、建筑完后， 再开挖中洞的方法，对地表沉降影响及周围土体扰动均比较小为最优方案，。 在地下工程结构计算理论研究的发展过程中，后期提出的计算方法一般并不 否定前期的研究成果。鉴于岩土介质性质的复杂多变性，这些计算方法一般都有 各自的适用场合，但都带有一定的局限性。 与地面结构不同，设计地下工程结构不能完全依赖计算。这是因为岩土介质 在漫长的地质年代中经历过多次构造运动，影响其物理力学性质的因素很多，而 这些因素至今还没有完全被人们认识，因此理论计算结果常与实际情况有较大的 出入，很难用作确切的设计依据。在进行地下工程结构的设计时仍需依赖经验和 实践。 1 2 2 地下工程施工 城市地下隧道及井孔工程先后采用了明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构法、沉 管法、冻结法及注浆法等，这些技术有各自不同的适用性和优缺点【1 7 l ，依据具体 工程，国内外也发展了其他一些有针对性的方法，例如加拿大的n c h a n d l e r 在数 值模拟的基础上结合热学、岩石力学等理论，提出了适用于开挖核废料处理坑的 意见【2 0 1 。 明挖法具有施工简单、快捷、经济、安全的优点，城市地下隧道式工程发展 初期都把它作为首选的开挖技术。其缺点是对周围环境的影响较大。明挖法的关 键工序是：降低地下水位，边坡支护，土方开挖，结构施工及防水工程等。其中 边坡支护是确保安全施工的关键技术。明挖法施工的工程实例很多，例如沈阳市 地铁一号线启工街站通过对站点地面以上场地及地下地质条件的分析，以及对主 体围护结构的不同方案进行比选，确定了该站点采用明挖施工方法和排桩围护结 4 浙江1 = 业人学硕l j 学位论义城市过街地道设汁施下关键问题研究 构【2 1 j ；新建铜九铁路z 4 标段刘家湾隧道施工区段为带有微膨胀性的红粘土，隧 道项土体厚度2 1 0m ，采用明挖法施工1 2 2 j 。 暗挖法适用于城市中不能采用明挖法施工的地方，办适用于松散层及含水松 散层地层。一般应按照“新奥法”原理设计和施工，采用较强的初期支护，先注 浆后开挖的方法。暗挖法有单拱单跨和多拱多跨暗挖施工技术，北京地铁西单车 站为多拱多跨【2 3j ；也有三连拱、四连拱、五连拱地铁车站、公路隧道和地下商场， 北京天外天地下商场为五连拱结构1 2 4 】；还有平直墙暗挖施工技术。国际上传统的 暗挖法其顶部都是拱形结构，我国创造出平顶直墙超浅埋暗挖施工技术，如北京 长安街过街道【2 引。在岩石中进行暗挖施工时，一般采用钻爆法。为了保护围岩的 自承能力，普遍采用光面爆破技术。为了减少对地面的振动影响，还采用微差爆 破及合理设计爆破参数等减振技术。然而，采用浅埋暗挖法施工不当则可能导致 地层失稳或过量变形等工程病害问题，并将危及地面和周围建筑物以及交通、通 讯、供水、供电、煤气管线等各种城市生命线的安全。我国在广州、深圳、北京 地铁中也遇到了类似的问题，如广州地铁2 号线海珠广场地表塌陷、北京地铁血 号线雍和宫车站沉降引起燃气管线下沉超标等一系列事故。因此，在城市繁华地 区修建城市地下通道时，如何把对环境的影响减少到最低的限度非常重要。对于 含水的厚层粉细砂、流塑状或者软塑状淤泥质粘土层应慎重选用，因为在此地质 条件下施工，对周围地层将不得不采用费用昂贵的冻结法或其他方法进行加固。 在浅埋软弱地层中修建地下通道时，若环境要求十分严格，或使用其他方法风险 比较大时，可以考虑采用预切槽法，但在非粘性土体如砂砾石层中，要对地层进 行注浆预加固，然后再进行预切槽。 盖挖法指的是边坡支护为连续墙、混凝土灌注桩，其上为盖板所构成的框架 结构，并在其保护下开挖及结构施工的方法，图1 1 为盖挖法施工所用六四式军 便梁临时路面支撑系统简图。上海地铁7 号线常熟路站采用的就是盖挖法施工1 2 6 1 ， 北京地铁1 撑线天安门东站采用的也是盖挖法施工【2 7 1 。它具有快速、经济、安全的 优点，是较明挖法对环境影响少，较暗挖法成本低的一种方法。适于市区高层建 筑密集区。盖挖法可分为由浅而深地逐层丌挖、逐层做结构的盖挖逆作法以及依 次开挖至底后再做结构的正作法两种。 浙江丁业人学硕l ：学位论义 城市过街地道没汁施l ，灭钮问题研究 预制空心混凝土临时路面板 c 3 0 混凝土 c 3 0 混凝土 图1 1 六四式梁临时路面支撑系统简图 盾构法指的是全断面推动网筒状钢盾构进行丌挖的方法。施：【方法有人工、 半机械及全机械化多种。盾构液j u k 千斤顶推进。用盾构法能完成卣径儿十厘米 至十多米尺寸的隧道，以及双联、二= = = 联和四联盾构的大型工程。它适于稳定和不 稳定松散含水地层。从施【：技术l 香，盾构法有泥水盾构法、土压平衡法( 町控制 地面沉降) 、开敝弋机械化盾构、气，k 盾构、插刀盾构及混合盾构等多科，。在岩石 地层中，也可采用隧道掘进机岩彳i 盾构) 。一卜海地铁2 号线上行线隧道何寸：卜海 浦东东方路下的立交工程采 j 的就是质构法施工1 2 8 】；另外，广州地铁一f ：建【：程也 大量采用盾构法1 2 9 1 。 地层冻结法是采j 丑人j ：制冷闻结不稳；乏松散砂土地层或软岩地层，并隔断地 下水的施工方法。在拟丌凿的地卜1 ：程周围钻凿一定数量的冻结孔，通过冻结管 中的供液管，循环由制冷设备提供的低温豁水，使地层局部形成不透水h 有定 强度能抵抗地压的冻结壁，并在其保护f 进行丌挖施：r ，工程完工后，冻结壁融 化，地层岩二e 恢复原状。此法适用于松散含水地层，已在煤矿广泛采用。上海轨 道交通1 3 号线世博园站至长清路站专用交通联络线工程盾构井与1 3 号线右线区 间之间的联络通道f 3 例、广州地铁三号线天河客运站折返线隧道f 3 、北京地铁大北 窑区间隧道吲等复杂高难地段，均用此法获得成功，并首次试成水平冻结技术及 液氮快速冻结技术。 沉管( 箱) 法是采用将事先预制的钢筋混凝t 结构，焊封头部钢板、然后放水 浮运沉入到设计的位置来建造水下岩土工程的方法。广州珠江隧道【3 3 l 采用了这种 方法，上海外环沉管隧道管段采用的也足这种方法【3 4 1 。适于修建过江、过海隧道 的水中部分及浅表土层中的竖井施工。 6 浙江t 业人学硕i j 学位论文城市过街地道设计施t 关键问题研究 注浆法指的是通过注浆设备以选定的注浆工艺利用钻孔进行岩土加固的一种 施工技术。它早就被广泛应用，例如上海一银川高速公路“襄樊一十堰段采取了 管棚注浆预加固措施【3 4 】，北京地铁五号线刘家窑车站使用的管棚加交叉小导管超 前注浆预加固施工技术【3 4 l ，注浆材料不同有单液和双液注浆，水泥注浆、粘土水 泥和化学材料注浆；根据注浆机具不同有重力注浆和压力注浆，有渗透注浆和喷 射注浆等。近年来发展起来的高压喷射注浆法，在岩土工程的加固和治水中更是 发挥了独特作用，例如高压旋喷桩法、高压定喷墙法以及水平旋喷法。三重管高 压旋喷桩法在上海地铁1 挣线的施工中，对淤泥地层进行帷幕堵水、防渗加固， 效果十分理想。高压旋喷桩与灌注桩结合法在高层建筑地基基坑护坡工程中更是 得到广泛应用。 1 2 3 浅埋暗挖工程技术问题分析 综观上述研究文献，国内外学者对人行地道施工技术及其环境效应研究大多 集中在工程实例报道和通过数值模拟选择合适的施工方法使得施工引起的地表沉 降控制在合理的范围内，这方面已经取得很多有价值的研究成果，但仍然存在下 列问题： ( 1 ) 现有的数值分析大都在某一埋深条件下分析不同土质中人行地道的施工 方法，很少研究人行地道施工方法和施工参数( 如开挖方法、开挖进尺等) 的变 化。 ( 2 ) 考虑施工方法的丌挖技术理论研究较少。 1 3 本文研究方法及内容 本文主要以广州城区完成施工的过街通道工程项目为主要工程背景、利用现 场试验、理论分析以及三维有限差分数值分析方法为主要研究手段，对城区富水 地层人行通道工程施工关键技术及环境效应问题，对以下几个问题进行了深入的 研究： ( 1 ) 调查国内外城市地下工程设计和施工的相关工程和文献资料，系统分析地 下工程特点、计算方法、施工方法。 7 浙江工业大学硕f j 学位论文 城市过街地道设计施t 关键问题研究 ( 2 ) 结合明月二路地下人行过街通道的具体情况，采用铁路隧道设计规范 推荐的常规计算方法计算衬砌结构的内力和变形，分析结构内力及变形特 点，并利用s a p 2 0 0 0 为施工控制进行辅助计算。 ( 3 ) 在分析城市地下工程浅埋暗挖法施工技术、影响因素等理论分析的基础 上，结合数值模拟分析和现场试验分析结果，总结出繁华地区人行地道工 程浅埋暗挖法施工的关键技术及环境效应。 ( 4 ) 采用有限差分分析方法模拟计算不同施工方法的地面下沉量，研究能够有 效控制地面沉降、满足施工要求的施工方法。 8 浙江工业人学硕i ：学位论文 城市过街地道设计施丁关键问题研究 第2 章城区地下过街通道衬砌结构计算与分析 2 1 引言 地下过街通道衬砌结构的计算国内通常是按照铁路隧道设计规范推荐的 荷载结构法计算的，计算时按照规范相关条文取定计算截面，再按规范上的经验 公式确定计算截面上所受荷载，然后按照结构力学中计算超静定问题的位移法进 行衬砌结构内力和变形的计算。本章按规范方法确定计算截面和荷载，然后利用 s a p 2 0 0 0 辅助计算，最后对计算结果进行分析。 2 2 工程概况 明月二路人行过街地道工程位于广州市明月二路与广州大道交叉处，下穿广 州大道，东西走向，长5 2 米，东侧为珠江新城，西侧为五羊新城，如图2 1 ；主 通道结构宽6 5 米，通行高度为3 米，埋深确定在3 o 4 7 米，工程结构安全等级 为二级。 2 2 1 工程地质条件 图2 1 工程位置示意图 场区位于天河向斜南翼，出路基岩为上白垩三水组东湖段，地表为第四系土 9 浙江t 业人学硕1 j 学位论文 城市过街地道设计施下关键问题研究 层覆盖。地层岩性自上而下如下： ( 1 ) 第四系人工堆积层：层厚1 5 0 3 1 0 m ，连续分布。杂黄色、杂红色、 杂褐色，松散状杂填土，由砖块、碎石、填土组成，硬质物含量约1 5 。顶面均 有1 0 3 0 c m 厚混凝土板。 ( 2 ) 冲积层：项界埋深1 5 0 3 1 0 m ，层厚4 2 0 1 1 7 0 m 。 ( 2 1 ) 淤泥：黑色，流塑状，不等厚层状连续分布，顶界埋深1 5 0 3 1 0 m ， 层厚0 3 0 2 5 0 m 。标贯值n = 1 9 。 ( 2 2 ) 细砂层：局部为粉砂、中砂。次白、灰色，饱和，松散状，分选性差， 含少量粘性土。位于( 2 1 ) 层下，于地道东梯连续分布，项界埋深3 0 0 5 4 0 m ， 层厚1 6 0 3 4 0 m ；于地道西梯薄层透镜体状分布；顶界埋深3 1 0 7 1 0 m ，厚度 o 6 0 1 6 0 m ；地道主体，顶界埋深2 3 0 m ，层厚3 8 0 m ，且其上部1 9 0 m 含淤泥质。 标贯值n = 8 9 。 ( 2 3 ) 粉质粘土、粘土：局部相变为粉土，灰色、红色、灰黄色、灰白色， 局部呈花斑状。于地道西梯连续分布，顶界埋深2 5 0 5 0 0 m ，层厚2 9 0 5 1 0 m ， 层中也出露薄层细砂；于地道东梯层位出露不稳定，揭露于泥炭土之下的呈薄层 连续分布，揭露于砂层中的则呈断絮状或尖灭状分布。由于该层的出露分布情况， 导致其土质不均匀，总体以软塑为主。标贯值n = 4 5 ( 2 4 ) 泥炭土：灰褐色，软塑，含大量腐木。于地道东梯连续分布，于地道 西梯偶有揭露，地道主体也有揭露。顶界埋深5 4 0 7 6 0 m ，层厚0 4 0 2 4 0 m 。标 贯值n = 3 o ( 3 ) 残积层：粉质粘土，暗紫红色，为泥质粉砂岩风化残积土，可塑，底部 硬塑，场区内连续分布。顶界埋深6 6 0 9 8 0 m ，层厚o 5 0 1 0 9 0 m 。标贯值n = 1 1 8 。 ( 4 ) 上白垩统三水组东湖段岩层：暗紫红色泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、细 砂岩，泥质或粉砂质结构，层状构造，胶结物为泥质或钙质，岩层薄、层理发育， 含微薄层桩、脉状石膏。顶界埋深8 6 0 2 0 4 0 m 。 计算时各土层自上而下的分布及各土层的实验参数如表2 一l 所示。 表2 1 各土层参数 层厚天然重度粘聚力内摩擦角压缩模量 土层名称泊松比k o mk n m 3k p am p a 杂填土 3 11 7 31 52 83 9 40 3 50 6 2 3 淤泥 5 61 6 1882 4 20 3 60 5 9 5 中砂 4 5 1 9 53 02 31 50 30 7 4 3 1 0 浙江丁业人学坝l j 学位论义城市过街地道设汁施丁关键问题研究 粘性土1 3 41 9 23 6 1 5 4 50 3 20 6 9 9 粘性土2 8 1 2 33 51 4 4 4 0 3 0 7 0 3 2 2 2 水文地质条件 人工堆积层结构松散，含上层滞水，水位动态变化与大气降水有关；冲积淤 泥层为饱和状态；冲击粉质粘土及残积粉质粘土为相对隔水层；冲击砂层含孔隙 型潜水，地道东梯该砂层连续出露，故水量较丰，而地道西梯局部出露，水量一 般。场区出露的碎屑岩主要以泥钙质胶结，为隔水层。 地下最高水位埋深o 8 0 m ，地下水在干湿交替环境下对钢筋混凝土中的钢筋 具有弱腐蚀性。 2 2 2 工程特点 从上面的资料可以看出，明月二路地下人行过街通道的地质条件较差。首先， 通道所处位置土层依次是：杂填土、饱和淤泥、饱和中砂、饱和粘性土、强风化 岩、中风化岩，与内陆地区相比地质条件较差。例如，北京市朝阳区东大桥路芳 草地的一工程其土层分布如下：人工堆积层、粘性土层、粉土、砂性土层、砂、 卵石层。可见，明月二二路地下人行通道的土层在粘性土层之上多了饱和淤泥层和 中砂层，而饱和淤泥层和中砂层相对于粘土层来说自承能力较差、流动性大。 其次，明月二路地下人行过街通道所在地的地下水位埋深较浅，为o 8 米， 而北京地区地下潜水位埋深通常约为1 3 米。较高的地下水位给地下工程的施工带 来更多困难。 另外，不同于许多浅埋地下工程的是，通道的施工要求严格控制其上的地面 沉降量不超过2 5 m m ，以保证交通的畅通。所以无法采用常用的明挖法和逆作法。 2 2 衬砌结构荷载计算 地下工程结构所受的荷载，可分为静载、活载、特殊荷载以及地震等偶然荷 载三类。静载是指长期作用在结构上的不变荷载，如结构自重、土压力及地下水 压力等；活载是指结构物使用期间或施工期间可能存在的变动荷载，如人群、车 辆、设备或施工设备以及施工期间堆放的材料、机器等荷载；特载则指常规武器 ( 炮、炸弹) 作用或核武器爆炸形成的荷载。处于地震区的地下工程结构，还受到 ffjjiijjiiljjjfijjii 浙江t 业人学硕上学位论义城市过街地道没汁施t 关键问题研究 地震荷载的作用。关于特载的大小是按照不同的防护等级采用的，它在人防工程 的有关规范中有明确的规定。 由结构力学可知，计算超静定结构的内力，必须事先知道各杆件截面的尺寸， 至少也要知道各杆件截面惯性矩的比值，否则无法进行内力计算。但是截面尺寸 的确定只有在知道内力之后才能进行，这一矛盾的产生，是由杆件系统结构力学 理论本身带来的。克服这一矛盾的办法是：在进行内力计算之前，通常先根据以 往的经验或近似计算方法设定各个结构构件的截面尺寸，经内力计算后，再来验 算所设截面是否合适。若不合适，调整截面设计，重复上述过程，直至所设截面 合适为止。所以，本文此处根据以往相似工程初步假定隧道截面如图2 2 所示， 采用c 3 0 混凝土，衬砌结构弧顶埋深4 3 m 。 图2 - 2 隧道截面尺寸图 2 2 1 顶板上的荷载 结合本工程的具体特点，作用于顶板上的荷载包括顶板以上的覆土压力、水 压力、顶板自重、路面活荷载以及特载。 ( 1 ) 覆土压力 因为是浅埋结构，所以计算覆土压力时，只要将结构范围内顶板以上各层土 壤( 包括路面材料) 的重量之和求出来，然后除以顶板的承压面积即可。如果某层 土壤处于地下水中，则它的容重只要采用浮容重 。覆土压力标准值计算如下： g 土= 以曩 ( 2 1 ) 1 2 浙江丁业人学硕l j 学位论义城市过街地道设计施t 关键问题研究 = 1 7 3 o 8 + ( 1 7 3 - 1