地铁隧道施工引起的结构安全性分析

地铁隧道施工引起的结构安全性分析

1施工竖井、横通道结构施工在新城市的新黑坝结构附近，有一个带的垂直通道（与车站的交换通道合并）。水平通道由标准断面结构、防护结构、道脚高度侧的诱导孔和进入主体结构的临时导线孔组成。施工时由临时施工竖井开挖通道标准段后封堵开挖面,之后利用通道抬高段的靠车站端的一侧导洞进入主体结构,采用临时导洞等小通道进入主体结构施工。施工竖井断面设计内净空为5.7m×10.5m的矩形。施工通道结合换乘通道设置。施工通道断面为换乘通道设计控制,内净空宽×高为6.5m×10.9m,分上下两层:上层为拱形、下层带仰拱,结构型式为复合式衬砌。通道通过地层主要为含水层,底面基本位于砾岩层上,需洞内注浆止水。既有区间结构为双跨单层矩形钢筋混凝土结构,顶板厚750mm,底板厚700mm,侧墙厚700mmm,既有区间段长25m(两变形缝之间结构长度),变形缝宽20mm。既有区间位于施工竖井、横通道的北侧,施工竖井位于既有区间喇叭口开口附近,最近距离约9m,换乘通道、施工横通道逐步接近既有区间,车站临时施工通道北侧靠近既有区间结构,临时施工通道覆土厚约6m,通道末端角部距离区间结构外缘最小水平距离3.5m左右,且位于既有区间变形缝附近。施工横通道与既有区间的平面位置关系如图1所示。2flac31载—评估技术概述地下工程数值分析常用的计算模型主要有连续介质模型(地层—结构模型)和作用—反作用模型(荷载—结构模型)两种。地层—结构模型由于考虑地层与结构的共同作用,多用于结构的变形和内力分析;荷载—结构模型只将结构作为计算对象,多用于结构内力分析。针对新建结构临时横通道的施工引起既有区间结构变形的分析,考虑到施工引起的既有地铁隧道变形及内力变化均与地层关系密切,因此采用FLAC3D［1］建立地层—结构模型进行变形预测分析［2～4］,同时采用SAP2000［5］建立三维荷载—结构模型,将预测的变形附加于结构模型上,并对引起的内力变化进行分析［6，7］。新建结构临时横通道的施工主要影响邻近的既有区间与车站相交段及相邻段,引起既有区间的竖向沉降及变形缝的差异沉降［8］。因此取新建车站下穿段上方的两条变形缝、变形缝间既有区间结构及变形缝外侧部分区间结构作为重点分析对象。3通道开挖工艺临时竖井开挖断面为6.4m×11.2m的矩形断面。在初期支护的长边中间加两道临时支撑,每次进尺0.5m,由上往下逐段施工。施工竖井边开挖边支护,根据实际情况采用小导管超前注浆加固地层。按设定位置设置支撑,开挖到通道位置时利用合适的位置施工往通道方向的超前管棚。通道开挖标准断面宽×高为8.4m×13.57m,设计采用四步“CRD”法施工,通道的每步开挖的台阶长度约为3~5m。通道采用小导管超前注浆加固支护。按设计位置设置支撑。待初支稳定后,开始二次衬砌,通道衬砌时逐段拆除临时支撑,每段衬砌长度约4.5m。综合考虑施工中的各种施工不利因素,本分析计算中不考虑超前注浆加固及横通道与既有区间之间的土体加固,且选取关键工况进行一次性开挖(如施工竖井、换乘通道及临时横通道均为一次性开挖)的不利情况分析,具体开挖工序见图2。(3)临时横通道开挖4分析模式和参数4.1分析模式4.1.1结构模型及边界条件采用FLAC3D有限差分软件建立计算模型,共划分了103015个实体单元,地层计算设置大变形,三个模型整体网格划分及地层分布见图3,其中土层、既有结构、换乘通道二次衬砌结构采用实体单元,竖井护壁、通道初期支护采用结构单元(shell),不同的土层采用不同的材料参数模拟,土体采用摩尔-库仑弹塑性本构模型,新建及既有结构均采用线弹性本构模型。模型水平范围选取隧道或竖井2倍的底板埋深作为边界,选取时除了顶面取为自由边界,其他5个面均采取法向约束。计算荷载考虑既有地铁结构自重、土体竖向自重及地表均布超载20kPa等。4.1.2板-柱-板体系采用SAP2000建立既有区间的空间有限元模型如图4所示。结构体系为板-柱组成的箱型结构。板用Shell-Thick壳单元模拟,对底板上所有节点施加固定支座约束,并通过支座的竖向位移来模拟地基沉降。作用在结构上的荷载除自重外,还有覆盖土层对顶板和侧墙的土压力。4.2土层结构及参数考虑模型范围内地层不均匀分布,特将性质相近的土体进行等效,模拟范围内土层分布主要以粉土填土(厚约4~6m)、砂及卵砾(厚约4~6m)、砾岩(卵砾层以下,分为强风化和中~强风化两层,强风化层厚约8~10m,以下为中~强风化层)为主,因此评估计算中土层可简化为上述三层。考虑上述土层间夹有粉土、粉质粘土或泥岩,以及综合其它不利因素,根据勘察报告中提供的参数作出一定的折减,具体计算参数如下表1。加固土层参数一般为在相应位置的原有土体参数基础上提高20%,但在卵砾石地层中注浆加固改善地层力学特性较难实现,因此本计算中暂不考虑地层加固。5结论分析5.1变形对结构安全的影响分析5.1.1施工竖井、换乘通道及临时横通道开挖对既有线路下水平差异变形的影响图5为新建施工竖井、换乘通道及临时横通道开挖引起的既有区间结构的附加变形云图。从图上可以看出,随着施工竖井、换乘通道及临时横通道的开挖,既有区间结构产生的水平位移及变形缝处的水平差异变形不断增加,由于施工竖井、换乘通道及临时横通道与既有区间各段(两变形缝之间设定为一段)结构的邻近程度不一,因此开挖过程中对既有区间各段结构的影响程度也不尽一致。施工竖井开挖主要影响既有区间开喇叭口处段结构,引起该段底板最大水平位移约为2mm,发生在该段西侧,该段与其西侧一段结构之间变形缝之间的水平差异变形约为1.5mm。换乘通道开挖主要影响到喇叭口西侧一段结构,对喇叭口段结构西侧也产生一定影响,引起喇叭口西侧一段结构底板最大水平位移约为5mm,发生在该段与喇叭口段之间变形缝处,该变形缝处水平差异变形约为2mm。既有区间由于涉及行车及运营安全,对变形缝处差异变形的要求非常严格,因此为更加有效地了解施工竖井、换乘通道及临时横通道开挖引起既有区间线路下水平位移及相应变形缝处的差异变形分布情况,并为施工期间的监控量测提供控制标准及提出控制所关注的重点,保证地铁行车及运营安全,特选取既有区间左右线路(即南侧、北侧线路)下底板结构作为监测断面进行分析,见图6。施工竖井、换乘通道及临时横通道开挖引起既有区间线路下结构水平位移及变形缝处水平差异变形曲线如图7所示:图7中显示,施工竖井开挖主要对喇叭口段线路下结构两侧变形缝水平差异变形产生影响,最大值约为1.5mm;随着换乘横通道的开挖,喇叭口段及其西侧一段水平变形及变形缝处水平差异变形均进一步增加,变形缝处最大水平差异变形约为2mm;而在临时横通道开挖后,下穿段主体上部的既有区间段线路下结构水平位移急剧增加,且该段西侧变形缝处线路下结构水平差异变形由原先几乎近于0mm情况下突变为5.5mm左右,其东侧变形缝处线路下结构水平差异变形由约1mm增加至2mm,而喇叭口段西侧变形缝处水平差异变形减小至接近于0mm。可见,在施工竖井及换乘横通道开挖时,应重点监控喇叭口段两侧的水平差异变形,而在开挖临时横通道时应特别关注及监控下穿段主体上部既有区间段西侧变形缝处的水平差异变形,并应在临时横通道开挖洞内及洞外采取必要的加固措施或保护措施,同时制定专项方案及应急方案。5.1.3既有区间结构沉降位移根据前面的分析,可见临时横通道开挖对既有区间结构底板的影响较大,故既有区间结构的沉降分析以临时横通道北侧的既有区间段结构(新建车站下穿段上方的既有区间段)及其两侧的变形缝(变形缝3和变形缝4)为重点评估对象进行评估。临时横通道开挖结束后,既有区间结构沉降位移云图如图8所示。从沉降云图上可以看出,临时横通道开挖结束后,引起的既有区间结构沉降变形相对于水平变形要小,引起新建车站下穿段上方的既有区间段结构底板西南侧角落沉降变形为最大,最大值约为2.3mm,而相应在其东北侧角落出现翘起,最大值约为1.4mm,该段结构出现了扭曲。5.1.4构变形缝差异沉降变形临时横通道开挖结束后,引起既有区间线路下结构沉降及变形缝处差异沉降变形曲线如图9所示。图9中显示,临时横通道开挖引起新建车站下穿段上方的既有区间段线路下底板结构变形缝差异沉降变形最大值发生在南侧线路下对应变形缝4处,最大值为1.5mm;而北侧线路下底板结构在变形缝3处差异沉降变形较大,约为1.1mm。同样从上图中可以看出,南侧线路下结构在变形缝3处和北侧线路下结构在变形缝4处的差异沉降变形均较小,这主要是由于两条变形缝间的既有区间结构发生了一定的扭转导致。可见,在临时横通道开挖时,重点应关注新建车站下穿段上方的既有区间段结构的扭转,对于该段结构的沉降变形及两侧变形缝处的差异沉降变形在下穿段主体开挖时叠加一起考虑。5.2最大弯矩与结构损伤的安全度由于既有区间底板涉及到行车及运营安全问题,因此选择区间底板开裂极限状态作为结构抗变形能力分析的标准。施加预测沉降曲线,并与自重和土压力进行荷载组合,得到区间结构底板在施加预测沉降条件下横向、纵向线弯矩分布,详见图10、11。通过计算最大弯矩与结构容许弯矩和设计弯矩(根据既有地铁区间底板的实际配筋情况得出)对比,找出既有区间结构的危险截面位置,并得到结构危险截面的安全度(免于危险的客观程由表2可见,预测的变形条件下结构的内力和变形满足《混凝土结构设计规范》的正常使用极限状态的裂缝宽度要求和承载能力极限状态下的安全性要求。考虑到板进入塑性后内力重分布和屈服线的转动能力,截面的曲率延性系数保守估计至少为3,因此按能量等效原则可估计出等效弹性线弯矩承载力至少是Mu值3倍。可见,在预测变形条件下结构有足够的安全储备。6结论和建议6.1临时横通道施工增加了部分既有区间段结构水平差异变形通过建立三维地层-结构模型、三维荷载-结构模型对既有地区间结构进行变形计算、内力分析及承载力验算,可以得出如下结论:(1)临时横通道的开挖对既有区间结构的影响较大,新建车站下穿段上方的既有区间段结构因之产生较大的水平变形,也产生了一定的沉降变形,该段结构发生了小量的扭转。(2)经荷载-结构计算表明此时临时横通道北侧的既有区间段结构是安全的。(3)根据临时横通道施工引起的既有区间段结构变形缝处的水平及沉降差异变形,经评估满足行车及限界要求。(4)施工竖井开挖主要对喇叭口段线路下结构两侧变形缝水平差异变形产生影响,随着换乘通道的开挖,喇叭口段及其西侧一段水平变形及变形缝处水平差异变形均进一步增加,而在临时横通道开挖后,下穿段主体上部的既有区间段线路下结构水平位移急剧增加,且该段西侧变形缝处线路下结构水平差异变形出现很大突变。(5)虽然临时横通道开挖引起新建车站下穿段上方的既有区间段结构的竖向沉降变形相对较小,但考虑到后续新建车站下穿段施工影响,此时既有区间沉降变形亦应严加控制。6.2临时横通道开挖的总体思路(1)在临时横通道开挖时,应对其北侧的既有区间段实施自动化监测,在监测水平变形与变形缝处的水平差异沉降的同时,亦应对沉降和变形缝处的差异沉降进行监测。(2)建立监测预警系统,进行信息化管理。(3)在施工竖井及换乘横通道开挖时,应重点监控喇叭口段两侧的水平差异变形。(4)在开挖临时横通道时应特别关注及监控车站下穿段主体上部既有区间段西侧变形缝处的水平差异变形。(5)在临时横通道开挖时洞内及洞外采取必要的加固措施或保护措施。(6)对既有区间内轨道采取必要的保护措施,保证运营的安全。(7)土体开挖时,严格遵守暗挖法的“管超前、严注浆、短进