文华路连拱隧道下穿铁路段施工方法计算报告.doc

文华路连拱隧道下穿铁路段文华路连拱隧道下穿铁路段 施工方法计算报告施工方法计算报告 赵东平 2009 年 2 月 29 日星期三 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 目目 录录 1 计算说明计算说明 1 1 1 技术标准 1 1 2 主要规范 1 2 工程概况工程概况 2 2 1 隧道工程概况 2 2 2 隧道施工方法 3 2 3 隧道设计参数 3 3 计算概况计算概况 4 3 1 计算程序 4 3 2 数值模型 4 3 3 计算参数 5 4 计算结果及分析计算结果及分析 6 4 1 各施工步应力场 6 4 2 各施工步位移场 9 4 3 围岩塑性区分布 11 4 4 地表下沉规律 12 4 4 支护结构内力及安全系数 13 5 主要结论主要结论 17 5 1 数值计算结论 17 5 2 建议工程措施 17 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 1 1 计算说明计算说明 1 1 技术标准技术标准 1 道路等级 采用城市 级次干道 2 设计行车速度 40Km h 3 行车道宽度 2 3 50m 4 路面设计荷载 BZZ 100KN 5 地震设防标准 地震基本烈度为 度 设计地震动峰值加速度 0 15g 特征周期为 0 35S 6 隧道限界净高 5 0m 检修道净高 2 5m 7 人行横洞建筑限界 净宽 2m 净高 2 5m 8 路面类型 改性沥青 SMA 路面 9 结构设计荷载 公路 级 10 防水等级 一级 1 2 主要规范主要规范 在进行隧道结构计算分析时 主要采用了以下设计规范 1 市政公用工程设计文件编制深度规定 2004 年 3 月 2 城市道路设计规范 CJJ37 90 3 公路隧道设计规范 JTJ D70 2004 4 铁路隧道设计规范 TB10003 2005 5 公路隧道施工技术规范 JTJ042 94 6 锚杆喷射混凝土支护技术规范 GB50086 2001 7 公路桥涵设计通用规范 JTG D60 2004 8 公路工程抗震设计规范 JTJ 004 89 10 混凝土结构设计规范 GB 50010 2002 11 地下工程防水技术规程 GBJ50108 2001 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 2 12 公路水泥混凝土路面设计规范 JTG D40 2002 13 公路沥青路面设计规范 JTJ 014 1997 14 公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范 JTG T B07 01 2006 15 混凝土结构防火涂料 GA98 2005 16 建筑设计防火规范 GB50016 2006 2 工程概况工程概况 2 1 隧道工程概况隧道工程概况 厦门市文华路连拱隧道在 DK0 371 附近以 81 度角下穿交通繁忙的鹰厦铁路 连拱隧道与既有鹰厦铁路的平面及纵断面相对位置关系见图 2 1 和图 2 2 由于 连拱隧道下穿地层岩性较差 隧道开挖跨度大 下穿区段隧道埋深浅 此处埋深 约 5 52m 因此连隧道的开挖会对既有铁路的正常运营产生不利影响 为评估 连拱隧道施工对既有铁路的影响 为工程设计及施工提供指导 对连拱隧道的 施工过程进行了二维数值模拟 341 738 408 683 320 360 400 K0 350 366 688 383 821 K0 320 隧道全长170m 380 简易绿化带 机动车道 简易绿化带 人行道 K0 366 688 K0 370 726 图图 2 1 文华路连拱隧道与鹰厦铁路平面位置关系文华路连拱隧道与鹰厦铁路平面位置关系 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 3 现状地面线 K0 320 隧道进口 明暗分界 K0 360 铁路轨顶标高 18 18m 规划文滨路 K0 341 738 辅道终点接G319 集灌路 K0 408 683 残积砂质粘性土 粉质粘土 全风化花岗岩 残积砂质粘性土 轨面标高 K0 373 下穿铁路 图图 2 2 文华路连拱隧道与鹰厦铁路纵断面位置关系文华路连拱隧道与鹰厦铁路纵断面位置关系 2 2 隧道施工方法隧道施工方法 连拱隧道采用三导洞配合台阶法开挖 如图 2 3 所示 隧道施工步序较多 具体说明如下 1 首先施工长管棚 2 后开挖中导洞 施工初期支护 3 中导洞贯通后 施工中墙 4 开挖两侧导洞 施工初期支护 5 中墙施工完毕及两侧导洞贯通后 开挖正洞上台阶并施工拱部初期支护 6 开挖正洞下台阶 施工仰拱初期支护 7 拆除临时支护 1 2 2 3 初期支护 初期支护 3 44 临时支护 临时支护 图图 2 3 文华路连拱隧道开挖示意图文华路连拱隧道开挖示意图 2 3 隧道设计参数隧道设计参数 隧道结构采用复合式衬砌 初期支护由喷混凝土 锚杆及钢筋网组成 并 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 4 辅以掌子面纤维树脂锚杆预支护 管棚 钢架等辅助支护措施 充分调动和发 挥围岩的自承能力 复合式衬砌初期支护参数系根据隧道的埋置深度 围岩级 别 跨度及受力特征 参照有关规范及国内外经验拟定 具体如表 2 1 所示 表表 2 1 连拱隧道初期支护设计参数表连拱隧道初期支护设计参数表 支护参数 分段 支护参数 下穿铁路段一般段 直径 mm 25 长度 m 4 0 中空 注浆锚杆 间距 cm 80 80 钢筋网 cm cm 8 8 间距 15cm 15cm 钢架I22a 工字钢架 间距 0 5m 初期 支护 C25 喷射混凝 cm 拱 墙 仰拱 厚度 30cm 注 设计中已考虑了围岩 均为 级围岩 的预留变形量 其数值为 下穿铁路段 2cm 下 穿公路段 5cm 施工误差均为 5cm 3 计算概况计算概况 3 1 计算程序计算程序 二维分析采用美国 ITASCA 公司开发的 FLAC3D软件 FLAC3D是一种应用 于工程力学计算的显式有限差分程序 该程序可模拟土 岩石等材料的力学行 为 适用于多种材料模式及边界条件的非规则区域的连续介质求解问题 在求 解过程中 FLAC3D采用动力松弛法 不需要形成刚度矩阵 避免了直接求解大 型联立方程组 便于在微机上求解较大规模的工程问题 与有限元法相比 在 处理几何非线性和大变形问题上具有明显优势 另外 该套软件在模拟支护体 方面提供了梁 桩 锚杆 壳体等多种结构单元 非常适合于研究隧道开挖等 岩土工程问题 3 2 数值模型数值模型 根据岩石力学原理 对于地下工程的结构分析围岩可选用三倍或以上洞径 范围作为有限元分析的模型范围 本次计算 围岩选取范围以隧道中线为基准 左侧 右侧延伸到 60m 上部延伸到地表 下部延伸到隧道仰拱以下 50m 隧 道左右有水平约束 下部有垂直约束 前方和后方均有垂直其面的约束 计算 中 用 8 节点 6 面体实体单元模拟围岩及中墙 用壳单元模拟初期支护 临时 支护 连拱隧道计算模型中实体单元总数为 3506 总节点数为 7192 个 结构 单元总数为 228 个 总节点数为 220 个 整体及局部模型具体如图 3 1 图 3 2 所示 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 5 图图 3 1 文华路连拱隧道全局模型文华路连拱隧道全局模型 图图 3 2 文华路连拱隧道局部模型文华路连拱隧道局部模型 3 3 计算参数计算参数 3 3 1 有限元分析参数有限元分析参数 本次计算根据 公路隧道设计规范 JTG D70 2004 对围岩及不同标号 混凝土的物理力学参数取值 对于初期支护及临时支护内的工字钢按等效刚度 简化 连拱隧道中墙内钢筋也按等效刚度进行简化 大管棚加固区围岩参数按 II 级围岩选取 全部土层参数及等效后隧道支护物理力学参数详见表 3 1 表表 3 1 有限元分析材料参数有限元分析材料参数 材料名称 弹模 E GPa 泊松比 粘聚力 C MPa 内摩擦角 密度 kg m 3备注 土层一0 0350 450 035151900围岩 土层二0 0320 450 032201810围岩 土层三0 1200 480 028251900围岩 大管棚加固围岩20 000 2 2500大管棚 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 6 中墙 C35 砼30 570 20 2500中墙 初支 C25 砼29 850 20 2500初期支护 C25 砼 I22a 型钢35 850 20 2500 中导临时支 护 C25 砼 I1837 360 20 2500 侧导临时支 护 3 3 2 荷载计算方法荷载计算方法 由于连拱隧道下穿既有铁路 因此应考虑上方列车荷载 根据 铁路桥涵 通用设计基本规范 TB10002 1 2005 计算列车活载对涵洞或隧道的竖向和水 平土压力时 假定列车活载在轨底平面上的横向分布宽度为 2 5m 其在路基内 与竖线成一角度 正切为 0 5 向外扩散 可按下式进行计算 竖向压力 2 165 19 98 2 55 76 qkN m 3 水平压力 3 eq 3 式中 压力 kPa h e q 系数 根据规范取 0 25 kPa 轨底以下深度 m h 列车荷载以均布荷载的形式施加于地表面 方向垂直向下 4 计算结果及分析计算结果及分析 4 1 各施工步应力场各施工步应力场 各分步开挖后 计算域内围岩应力分布情况如图 4 1 图 4 8 所示 图中单 位为 Pa 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 7 图图 4 1 中导洞开挖后围岩第三主应力中导洞开挖后围岩第三主应力 图图 4 2 中导洞开挖后围岩第一主应力中导洞开挖后围岩第一主应力 图图 4 3 侧导洞开挖后围岩第三主应力侧导洞开挖后围岩第三主应力 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 8 图图 4 4 侧导洞开挖后围岩第一主应力侧导洞开挖后围岩第一主应力 图图 4 5 正洞上台阶开挖后围岩第三主应力正洞上台阶开挖后围岩第三主应力 图图 4 6 正洞上台阶开挖后围岩第一主应力正洞上台阶开挖后围岩第一主应力 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 9 图图 4 7 正洞下台阶开挖后围岩第三主应力正洞下台阶开挖后围岩第三主应力 图图 4 8 正洞下台阶开挖后围岩第一主应力正洞下台阶开挖后围岩第一主应力 由以上各开挖步围岩第一 第三主应力分布情况可知 由于在隧道开挖之 前进行了双层大管棚预支护 管棚支护对拱部围岩起到了很好保护作用 在开 挖过程中隧道周边围岩内没有出现大范围的应力集中现象 4 2 各施工步位移场各施工步位移场 对于浅埋隧道 隧道开挖将会导致地表下沉 因此有必要分析各施工步围 岩位移场变化规律 各个施工步结束后 围岩位移场如图 4 9 4 12 所示 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 10 图图 4 9 中导洞开挖后围岩位移云图中导洞开挖后围岩位移云图 图图 4 10 侧导洞开挖后围岩位移云图侧导洞开挖后围岩位移云图 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 11 图图 4 11 正洞上台阶开挖后围岩位移云图正洞上台阶开挖后围岩位移云图 图图 4 12 正洞下台阶开挖后围岩位移云图正洞下台阶开挖后围岩位移云图 由以上各图可知 连拱隧道开挖后 会造成地表一定宽度范围内地面产生 沉降 当中导洞开挖后 地表最大沉降为 3mm 当两侧导洞相继开挖后 隧道 最大沉降量增大 且地表下沉范围扩大 而地表最大下沉位置也由原中导洞对 应地表转移到连拱隧道左右正洞对应地表 此时地表最大下沉量增大到 5 8mm 总体而言 地表下沉量不大 地表最大下沉量小于设计值 这说明初期支 护及超前大管棚起到了很好的超前预支护作用 有效地减缓了隧道开挖区地层 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 12 下沉对地表的影响 4 3 围岩塑性区分布围岩塑性区分布 各施工步隧道围岩塑性区分布情况如图 4 13 图 4 16 所示 图图 4 13 中导洞开挖后塑性区中导洞开挖后塑性区 图图 4 14 侧导洞开挖后塑性区侧导洞开挖后塑性区 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 13 图图 4 15 正洞上台阶开挖后塑性区正洞上台阶开挖后塑性区 图图 4 16 正洞下台阶开挖后塑性区正洞下台阶开挖后塑性区 由图 4 13 图 4 16 可知 各个侧导洞的开挖 均只对导洞周边附近区域围 岩出现塑性区 在全部施工阶段 土层中的塑性区并未向地表发展 至隧道开 挖完成后仅在连拱隧道左右洞仰拱以下土层出现塑性区 且塑性区深度较小 因此对施工安全影响不大 4 4 地表下沉规律地表下沉规律 当连拱隧道按设计工法施工完毕后 产生的地表沉降情况如图 4 17 所示 图图 4 17 连拱隧道施工后地表沉降曲线连拱隧道施工后地表沉降曲线 由图 4 17 可知 当连拱隧道开挖完成后 地表沉降曲线呈 W 形 由于隧 道中墙对土层的支护作用 地表最大沉降位于隧道左右正洞对应地表 由沉降 曲线可知 地表最大沉降为 5 8mm 隧道中线左右 20m 范围内地表均会产生 2 4mm 的沉降量 根据设计文件 地表最大沉降值应小于 30mm 由此可见 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 14 地表沉降小于设计值 满足设计文件要求 4 4 支护结构内力及安全系数支护结构内力及安全系数 各个施工阶段 初期支护及临时支护内力如图 4 18 图 4 20 所示 图中轴 力单位 N 弯矩单位 N m 连拱隧道左洞单元编号如图 4 21 所示 结构内 力计算结果见表 4 1 因结构对称 因此只分析左洞计算结果 图图 4 18 中导洞临时支护内力 图中轴力单位 中导洞临时支护内力 图中轴力单位 N 弯矩单位 弯矩单位 N m 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 15 图图 4 19 侧导洞开挖后初期支护及临时支护内力侧导洞开挖后初期支护及临时支护内力 图图 4 20 隧道施工完毕后初期支护及临时支护内力隧道施工完毕后初期支护及临时支护内力 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 16 图图 4 21 连拱隧道左洞初期支护单元编号连拱隧道左洞初期支护单元编号 表表 4 1 连拱隧道初期支护内力及安全系数连拱隧道初期支护内力及安全系数 左洞左洞 位置单元编号轴力 kN弯矩 kN m安全系数控制标准 77 326 9 57 3 1 28受拉控制 78 448 8 23 1 10 41受压控制 79 509 7 2 8 11 27受压控制 80 509 3 3 2 11 28受压控制 81 508 8 3 9 11 3受压控制 82 508 0 4 2 11 32受压控制 83 476 3 10 2 11 82受压控制 84 414 8 22 7 10 92受压控制 8572 9 8 5 10 89受拉控制 8672 5 7 9 12 32受拉控制 8746 8 13 5 4 71受拉控制 88 8 0 0 5 533 13受拉控制 89 68 2 3 6 67 39受压控制 90 101 3 3 4 52 64受压控制 91 166 2 2 0 34 52受压控制 左侧边墙 92 140 4 12 7 9 19受拉控制 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 17 93 245 7 9 9 20 84受压控制 94 307 8 16 5 14 87受压控制 9569 3 1 5 80 98受压控制 9665 4 7 3 12 98受拉控制 183 205 3 17 3 7 46受拉控制 184 270 5 42 0 1 84受拉控制 185 49 7 0 8 114 86受压控制 186 62 0 1 6 89 26受压控制 187 81 1 5 9 28 55受拉控制 188 89 3 2 1 62 69受压控制 189 100 7 5 6 44 74受压控制 190 107 3 1 1 53 59受压控制 191 114 9 5 7 41 29受压控制 192 120 8 0 3 47 42受压控制 193 127 7 5 7 38 8受压控制 隧道拱部 194 133 0 0 5 43 12受压控制 续表续表 4 1 连拱隧道初期支护内力及安全系数连拱隧道初期支护内力及安全系数 左洞左洞 位置单元编号轴力 kN弯矩 kN m安全系数控制标准 195 139 6 6 4 35 24受压控制 196 145 0 2 4 39 32受压控制 197 151 7 6 9 32 39受压控制 198 157 0 3 0 36 1受压控制 199 166 9 4 0 33 42受压控制 200 162 8 5 0 33 34受压控制 201 22 5 4 1 17 85受拉控制 2020 1 1 0 52 5受拉控制 20345 4 4 4 25 03受拉控制 隧道拱部 20423 4 5 5 12 2受拉控制 105 27 5 8 0 7 94受拉控制 1068 3 20 4 2 62受拉控制 10728 4 17 6 3 25受拉控制 10829 7 24 7 2 27受拉控制 隧道仰拱 10937 4 11 0 5 75受拉控制 厦门文华路连拱隧道下穿铁路段初期支护计算报告 18 11042 8 26 9 2 12受拉控制 111 17 8 19 3 2 86受拉控制 112 142 6 42 6 1 48受拉控制 205 94 6 11 3 8 04受拉控制 206 90 1 2 6 60 85受压控制 207 41 9 3 0 57 1受拉控制 208 42 2 4 5 22 1受拉控制 209 42 9 5 4 16 29受拉控制 210 43 3 5 3 16 78受拉控制 211 44 2 4 1 27 48受拉控制 212 44 6 2 8 89 74受拉控制 213 45 6 0 1 125 44受压控制 214 46 0 2 4 99