复合式TBM重叠隧道施工下层支撑体系计算探讨.pdf

第 33 卷 第 3 期 2017 年 6 月 公 路 交 通 技 术 Technology of Highway and Transport Vol 33 o 3 Jun 2017 DO 10 13607 j cnki gljt 2017 03 019 基金项目 中铁隧道集团科技创新项目 隧研合 2010 06 收稿日期 2017 02 23 作者简介 张彦伟 1977 男 重庆市人 硕士 高工 复合式 TBM 重叠隧道施工下层支撑体系计算探讨 张彦伟 韩国令 段志强 中铁隧道集团有限公司 河南 洛阳 71000 摘 要 随着我国城市轨道交通的不断发展 轨道交通网络越来越密集 人们的出行也越来越方便 但受城市地域 和建筑物等因素影响 城市轨道施工中会不可避免地出现线路交叉和重叠现象 以重庆轨道交通 5 号线冉家坝 大龙山 大石坝区间复合式 TBM 重叠隧道施工为例 对下层支撑体系进行计算 计算结果可供类似工程施工参考 关键词 重叠隧道 复合式 TBM 下层支撑体系 计算 文章编号 1009 6 77 2017 03 0077 05 中图分类号 U 55 文献标识码 A Discussion on Calculation of ower Supporting System of Composite BM Overlapping unnel Construction ZHA G Yanwei HA Guoling DUA Zhiqiang Abstract With the development of urban rail traffic in China the rail traffic network is getting more condensed which has facilitated people s travel However due to topography and urban buildings unavoidably line cross and overlapping occurs in urban rail construction This paper taking composite TBM overlapping tunnel construction in Chongqing o 5 rail traffic Ranjiaba Dalongshan Dashiba section as example carried out calculation to lower supporting system the results of which may be used as reference for future similar project construction Keyw rds overlapping tunnel composite TBM lower supporting system calculation 复合式 TBM 岩石隧道掘进机 重叠隧道已经 越来越多地应用于轨道交通密集的城市 复合式 TBM 重叠隧道上层隧道施工时 其下层的支撑体系 是保证其安全通过的重要条件 因此如何设计安全 可靠 经济的支撑体系就显得尤为重要 本文根据 重庆市轨道交通 5 号线重叠隧道的施工实践和经 验 对重叠隧道上下层之间支撑体系验算进行分析 和总结 其结果可供类似工程施工参考 1 工程概况 重庆市轨道交通 5 号线线路全长 39 75 km 其 中地下线长 31 18 km 高架线长 8 12 km 地面线及 过渡段长 0 5 km 沿线共设置车站 25 个 设置中 梁山车辆段 其位于华岩新城站至跳蹬站区间东侧 规划用地约 76 7 万 m2 设大竹林停车场 其位于幸 福广场站东侧 占地面积约 8 万 m2 设高庙村 华岩 寺 2 座主变电所 1 1 区间重叠段隧道设计概况 1 1 1 冉家坝站 大龙山站区间 冉家坝 大龙山站区间隧道呈南北方向布置 其从冉家坝大里程端向南行进延伸 并沿龙山大道 地下敷设 横穿旗龙路后接入大龙山车站 区间隧 道左线长 86 66 m 右线长 86 95 m 在 YDK21 606 002 YDK21 785 175 ZDK21 605 615 ZDK21 785 175 段左右线水平距离为 0 3 m 竖 向距 离 为 0 6 1 5 m 结 构 距 离 较 小 如 图 1 所示 1 1 2 大龙山站 大石坝站区间 大龙山站 大石坝站区间隧道线路为从大龙山 出站后 沿龙山大道下穿松石路 龙脊小区 芳草地 自由港小区 至盘溪河 隧道起点和隧道出口段均 位于直线上 中段大部分位于2 个半径为 00 m 和1 个 a 水平净距 3 m 时 b 重叠时 单位 m 图 1 左右线隧道剖面 半径为 1 000 m 的曲线上 右线隧道纵坡为 2 3 12 19 28 的下坡 左线隧道纵坡为 2 3 11 2 566 28 的 下 坡 左 线 隧 道 长 1 87 571 m 右线隧道长 1 91 501 m 区间隧道 在 YDK22 022 22 YDK22 922 05 ZDK22 022 22 ZDK22 925 02 段左右线水平距离为 0 3 m 竖向距离为 0 6 1 5 m 结构距离较小 1 2 工程地质与水文地质 1 2 1 工程地质 1 2 1 1 地形地貌 轨道交通 5 号线线路所经地段的原始地貌属构 造剥蚀丘陵区 线路大多沿交通干道前行 经过人工 改造后地貌变化大 地形平缓 起伏较大 坡角一般 小于 5 1 2 1 2 地质构造 轨道交通 5 号线 1 期位于川东南孤形地带 华 蓥山帚状褶皱束东南部的次一级构造 重庆弧形褶 皱束复式向斜构造区域内 该区域内发育有北碚向 斜 石马河 化龙桥 向斜 沙坪坝背斜等次级褶皱 构造线多呈 SSW 向 未发现断层通过 隧址区内岩层产状 290 312 15 29 线 路走向与构造线走向基本一致 个别地段线路走向 与构造线走向近于正交 1 2 1 3 地层岩性 地表出露地层较简单 由第四系全新统松散土 层和侏罗系中统上沙溪庙组与下沙溪庙组的砂质泥 岩 砂岩组成 1 2 1 4 重叠段隧道地层岩性情况 1 冉家坝站 大龙山站区间左线隧道洞身开 挖范围内均为砂岩 围岩级别为 级 右线隧道洞 身开挖范围内以砂岩为主 局部夹薄层砂质泥岩 围 岩级别以 级为主 局部地段为 级 2 大龙山站 大石坝站区间重叠段隧道洞身 开挖范围内均为砂质泥岩 围岩级别为 级 1 2 2 水文地质 1 2 2 1 地表水 5 号线沿线主要为已硬化的城市道路和市政设 施 少量丘间凹地为旱地 地表水为生产 生活污水 1 2 2 2 地下水分布特征及渗透性 该区域内富水性受地形地貌 岩性及裂隙发育 程度控制 地下水受大气降雨入渗补给 沿线大气 降水丰沛 地下水补给条件良好 通常 第四系松散 层含孔隙水 砂岩含孔隙裂隙水 主要为裂隙水 砂质泥岩为相对隔水层 根据地下水的赋存条件 水理性质及水力特征 沿线地下水可划分为第四系 松散层孔隙水 碎屑岩类孔隙裂隙水 1 3 区间重叠段统计 冉家坝站 大龙山站 大龙山站 大石坝站区 间重叠段隧道长度统计见表 1 表 1 重叠隧道长度统计 区间名称线路里程长度 m 管片参数 数量 环型号 备注 冉家坝 大龙山区间 左线ZDK21 605 615 ZDK21 785 175181 56121 下部隧道 右线YDK21 603 059 YDK21 785 175181 56121 上部隧道 大龙山 大石坝区间 左线ZDK22 022 22 ZDK22 652 225630 20 下部隧道 右线YDK22 022 22 YDK22 652 225630 20 上部隧道 2 下层支撑体系计算 2 1 支撑台架工况 5 号线重叠段隧道施工时 先施工下部隧道 后 施工上部隧道 施工上部隧道时 为降低复合式 TBM 自重及掘进过程对下部隧道的影响 保护下层 已成洞隧道管片并增加下层隧道管片整体强度 专 门设计了 1 台同步支撑台架 其支撑系统结构类似 于复合式 TBM 自带的管片整圆机 其移动原理与全 圆穿行式台架相同 采用一套主架加 3 套支撑系统 87公 路 交 通 技 术 第 33 卷 的形式 设计时 需考虑上行隧道从四线平行爬坡 至重叠段时对已施工下行隧道的影响有多大 侧压 或者偏压 且增加支撑台架后是否满足施工要求 台架使用主要有如下 2 种工况 工况 1 上下隧道斜交 上行复合式 TBM 掘进 期间下行隧道管片 X 5 管片 支撑台架是否满足 要求 工况 2 上下隧道完全重叠 复合式 TBM 到达 端头完全重叠 上行复合式 TBM 掘进期间下行隧道 管片 X 5 管片 支撑台架是否满足要求 2 2 同步支撑台架设计计算及校核 2 2 1 台架结构设计 支撑台架主要根据台架使用工况并结合钢结构 一般设计标准设计 其主要由主架 支撑模板 液压 系统 行走系统 下部模板吊装系统等组成 2 2 2 荷载计算 支撑台架共分 3 组 每组支撑纵向长度为 6 m 由于每组内各个环向支撑结构相同 且综合考 虑1 台复合式 TBM 长度为9 2 m 因此设计计算时 选取 9 2 m 为 1 个标准长度 该长度内支撑台架共 有 6 环 安装的混凝土管片共有 7 环 由于下层隧 道已施工完成 其混凝土钢管片强度已完全满足在 该埋深下正常使用 并具有一定的安全系数 因此本 次设计计算主要考虑上层隧道掘进时 在原基础上 增加的部分外力 2 2 2 1 静载荷 未掘进时 复合式 TBM 所在段土体自身重量 R2L 3 1 3 2 2 9 2 820 t 式中 L 为复 合式 TBM 长度 取 9 2 m 为砂质泥岩土密度 取 2 t m3 R 为开挖半径 取 3 m 复合式 TBM 主机重量 刀盘 前盾 中盾 盾尾 管片拼装机 螺旋输送机 2 环管片 58 110 100 33 16 22 22 2 383 t 1 2 59 6 t 系数取1 2 7 环混凝土管片重量 7 3 1 3 32 2 952 1 5 2 5 180 t 管片内径 5 9 m 外径 6 6 m 掘进增加静重量 59 6 180 820 180 t 2 2 2 2 可变荷载 复合式 TBM 刀盘转速对岩体产生的载荷 300 k m2 根据掘进时刀盘扭矩取值 复合式 TBM 掘进推力倾斜产生的载荷 1 00 tan 2 8 9 t 按照掘进最大推力 1 00 t 考虑 2 2 2 3 荷载组合 组合 1 恒载 1 2 活载 1 组合 2 恒载 1 0 活载 1 0 2 2 3 支撑台架校核 采用荷载 结构模式对支撑台架的内力进行计 算 计算时 抗力系数取 160 M a m 并考虑接头对 衬砌刚度的影响 衬砌计算刚度 EJ 计采用管片刚 度 EJ 0乘以刚度折减系数 刚度折减系数 取 0 8 即 EJ 计 EJ 0 混凝土对支撑模板的约束作用采用弹性链杆模 拟 台架支撑模板计算模型如图 2 所示 e1 2 为超载侧向压力 F1 2 为侧向水压力 e1为地层侧向压力 q 为 地层竖向压力 图 2 台架支撑模板的计算图式 计算时 考虑隧道衬砌管片的接头对衬砌结构 刚度的影响 刚度折减系数 取 0 8 结构计算弹 性模量 E 计为 0 并采用 A SYS 进行结构内 力计算 荷载作用下衬砌结构的弯矩 轴力和剪力分布 分别如图 3 5 所示 图 3 支撑台架弯矩 图 支撑台架轴力 97 第 3 期 张彦伟 等 复合式 TBM 重叠隧道施工下层支撑体系计算探讨 图 5 支撑台架剪力 由于上下隧道之间有一定的距离 复合式 TBM 掘进所产生的力通过岩体时有一定的平均传动作 用 所以复合式 TBM 掘进过程按照上下隧道重叠来 校核 支撑台架内力大小仍是近似对称 最大截面 弯矩出现在拱顶 Mmax 60 3 k m m 轴力N 651 3 k 中 线 两 侧 50 位 置 弯 矩 M 52 77 k m m 轴力 N 738 61 k 最大剪力 Q 62 8 k 校核支撑模板时采用 1 Mmax 校核管 片接头时采用 1 Mmax 弯矩增大系数 取 0 2 2 2 4 台架主架横移梁结构校核 台架主架按照钢框架结构计算 采用 Q235 钢 材 门架主横梁截面尺寸为 500 mm 00 mm 上下 面板的厚度 为 20 mm 立板的厚度 为 16 mm 门架主梁的截面力学参数截面惯性矩 I 和截面抵抗 矩 W 分别表示为 W 2 5 106mm3 I 5 03 108mm 采用结构分析软件 SA 2000 进行三维非线性 动力分析 在组合 2 荷载作用下 最不利弯矩 MX和 剪力 V 计算如下 Mx 1 55 620 m V 519 790 所以 Mx xWnx 95 6 mm2 f 215 mm2 VS Itw 56 mm20 55 然后 根据受压区高度确定该管片为小偏心受 压构件 故根据力的平衡条件及力矩平衡条件再重 新计算该管片的受压区高度 其按下式计算 N Rwbx AL s Ne Rwbx h0 x 2 式中 N 为轴力 取 738 61 k s为螺栓应力 按下 式计算 s 0 8 x h0 0 8 0 55 RL 1 536 7 1x 经上述计算后 最终取 x 为160 mm x h0 0 59 0 55 最后 根据最终受压区高度计算螺栓受力安全 系数 其按下式计算 K Rwbx h0 x 2 Ne 11 2 由上述计算结果可知 连接螺栓实际受力抗拉 强度安全系数为 11 远大于设计规定的安全系数 K 2 表明管片螺栓抗拉强度满足要求 08公 路 交 通 技 术 第 33 卷 3 结束语 本文对复合式 TBM 工法施工近距离重叠隧道 下层支撑体系支撑主架 横移梁结构及管片连接螺 栓抗剪 抗拉强度进行校核 依据计算结果设计的下 层临时支撑台架 通过工程实践 满足施工要求 从 而保证了重庆市轨道交通 5 号线冉家坝站 大龙山 站 大龙山站 大石坝站 2 区间重叠隧道的安全掘 进 下层支撑台架在重庆市地铁中的成功应用可为 类似工程的施工提供借鉴 参 考 文 献 1 郭 晨 近距离重叠盾构隧道施工影响的数值模拟 D 成都 西南交通大学土木工程学院 2009 2 章慧健 仇文革 冯冀蒙 等 近距离重叠隧道盾构施 工的纵向效应及对策研究 J 岩土力学 2010 31 11 3569 3573 3 陈先国 高 波 重叠隧道的施工力学研究 J 西南 交通大学学报 2003 6 606 610 孙 钧 刘洪洲 交叠隧道盾构法施工土体变形的三 维数值模拟 J 同济大学学报 自然科学版 2002 30 379 385 5 张海波 殷宗泽 朱俊高 近距离叠交隧道盾构施工对老 隧道影响的数值模拟 J 岩土力学 2005 2 282 286 6 陈 馈 洪开荣 吴学松 盾构施工技术 M 北京 人 民交通出版社 2009 7 扈 森 李德才 刘建国 等 地铁重叠隧道设计与施 工关键技术研究 M 成都 中铁二院工程集团有限公 司 2007 8 石 山 上下重叠盾构隧道管片内力数值计算分析 J 铁道标准设计 2009 9 19 22 上接第 76 页 a 开挖前