广州越秀南～东湖区间大断面隧道计算报告

1、广州地铁六号线越秀南东湖区间停车线大跨度隧道施工过程分析及地面沉降分析石家庄铁道学院2005年7月31日目 录1. 工程概况1 1.1 地层条件1 1.2 开挖方案及支护参数12. 计算模型及计算参数13. 联拱断面计算结果3 3.1地表沉降3 3.2 地表变位4 3.3不同工况情况下地层竖向位移4 3.4 支护内力5 3.5 二衬应力84. 大跨断面计算结果11 4.1地表沉降11 4.2 地表变位11 4.3不同工况情况下地层竖向位移12 4.4 支护内力13 4.5 二衬应力17 4.6 地层应力195 计算结果分析191. 工程概况广州市轨道交通六号线越秀南东湖区间是左、右行车和停车、

2、折返的多功能区间，在停车、折返线区段形成了四线大跨度断面（20.5m11.765m）和单线与三线的不等跨联拱隧道。两区段施工分部多、工序复杂，浅埋暗挖施工安全与其地面上方的五层住宅楼使用安全问题十分突出。为有效控制施工地表沉降，选择合理的开挖方案和支护参数，采用地层模式对上述两种断面进行了施工动态模拟分析。1.1 地层条件计算区间隧道主要穿越红层中风化层和红层微风化层，计算范围地层分布见表1-1。表1-1 隧道周边地层分布岩土分层地层名称天然容重/kNm-3弹性模量E/MPa粘聚力C/kPa内摩擦角/泊松比杂填土18.06.010.0120.45冲积-洪积淤泥质土层17.08.08.080.4

3、5冲积-洪积粉细砂层19.015.00270.35冲积-洪积中粗砂层19.520.00290.30红层强风化带22.6100.0300300.3红层中风化带24.2500.01000.0350.28红层微风化带25.6800.02870.040.70.251.2 开挖方案及支护参数两断面开挖分布分别见图1-1和1-2所示，对于联拱断面，当第2部开挖后拆除临时仰拱施作中墙结构，4部开挖结束，拆除临时隔壁并施作相应部分二衬，当最后一部开挖完成后拆除剩余部分临时隔壁，二衬成环。图1-2 大跨度断面施工工序图图1-1 双联拱隧道施工工序图施工中，两断面均采用大管棚结合小导管注浆的超前支护形式。管棚长1

4、5.0m，管径108mm；小导管长3.5m，管径42mm。管棚与小导管间隔布置，间距300mm。初支均采用厚350mm、C25喷射混凝土，内设拱架2榀/m等间距布置，二衬为C30钢筋混凝土。2. 计算模型及计算参数计算中，采用基于Windows2000控制平台的Ansys8.1大型有限元计算程序，对该开挖方案建立平面应变条件下的计算模型，并进行计算求解。(1)计算断面及地层计算参数分别选取联拱断面和大跨断面作为计算断面，计算断面上方地表有5层砖混结构楼房一座，其基础为条形基础，楼房进入大跨断面施工区约3.5m，为分析既有地面建筑对隧道施工的附加影响，计算中按地面有建筑和无建筑两种情况分别进行建

5、模计算。建筑荷载按每层7.5kPa考虑，人员活动荷载按每层2 kPa考虑。隧道上覆地层计算参数见表1-1。根据建筑地基基础设计规范(GBJ7-89)，对于多层工业与民用建筑（建筑高度小于24m）基础允许局部倾斜为0.004，对于砌体承重结构基础允许局部倾斜0.002（中低压缩性土层）或0.003(高压缩性土层)，为保证隧道施工过程中既有建筑的使用安全，必须严格控制地表沉降。(2)计算模型及支护参数平面计算模型中地层和二衬均采用四边形等参元单元，初支采用平面梁单元模拟。超前支护和地层加固区按提高地层参数的方法考虑，大小管棚的加固范围取0.35m。计算范围：隧道左右两边各取3倍洞跨范围，下底边取距

6、隧道底2025m处，上部取至地面。所有材料均服从DP(Drucker-Prager)屈服准则。加固区范围内的加固体计算参数见表2-1。计算模型见图2-1和2-2。表2-1 加固体和支护计算参数支护类型弹性模量E/MPa粘聚力C/kPa内摩擦角/泊松比管棚加固区6501300400.4喷混凝土初期支护295001300600.16二次衬砌310001300600.16图2-2 大跨断面模型单元划分图2-1 联拱断面模型单元划分(3)开挖荷载释放系数计算中，开挖荷载释放系数均按当前步的35%考虑。3. 联拱断面计算结果3.1地表沉降地表坐标/m图3-1 有建筑物时隧道在不同施工步下地表沉降(m)有

7、地面建筑物时，不同施工步时地表沉降曲线如图3-1所示。无地面建筑物时，在不同施工步时地表沉降曲线见图3-2。地表坐标/m图3-2 无建筑物时隧道在不同施工步下地表沉降(m)3.2 地表变位施工完成时，有、无地面建筑物的隧道地表最大变位见表2-3。表2-3 地表的最大变位计算模型最大沉降最大水平位移最大倾斜数值/mm位置数值/mm位置数值位置有地面建筑物12.2开挖结束后距隧顶水平距离0.8m处7.6开挖结束后距隧顶水平距离12.5m处0.0006开挖结束后距隧顶水平距离10m处无地面建筑物10.3开挖结束后距隧顶水平距离0.8m处6.3开挖结束后距隧顶水平距离12.5m处0.0005开挖结束后

8、距隧顶水平距离10m处3.3不同工况情况下地层竖向位移隧道施工结束后，不同工况下相应的地层竖向位移分布情况见图3-33-4。图3-3 有地面建筑物时隧道在施工结束后的地层竖向位移(m)图3-4 无地面建筑物时隧道在施工结束后的地层竖向位移(m)3.4 支护内力有地表建筑物时，典型施工步的支护内力见图3-53-14。图3-5 开挖部2支护弯矩/Nm图3-6开挖部2支护轴力/N图3-7 开挖部4支护弯矩/Nm图3-8开挖部4支护轴力/N图3-9开挖部6支护弯矩/Nm图3-10开挖部6支护轴力/N图3-11 开挖部8支护弯矩/Nm图3-12 开挖部8支护轴力/N图3-13 施工结束后支护弯矩/Nm图

9、3-15 开挖部8支护弯矩/Nm图3-16 开挖部8支护轴力/N图3-14 施工结束后支护轴力/N无地表建筑物时，施工结束后，初支内力见图3-153-18。图3-17 施工结束后支护弯矩/Nm图3-18 施工结束后支护轴力/N根据计算结果，有、无地面建筑物隧道在相同开挖部下初支内力分布形式相同，无地面建筑物的初支内力在数值上相对有地面建筑的初支要小，临时支护在开挖结束时内力分布最不利，最大弯矩分别为386.831 kNm （有房）、324.308k Nm（无房），最大轴力分别为1560kN（有房）、1320 kN（无房），发生位置均在临时中壁与临时仰拱交接处；初支在施工结束时内力分布最不利，最

10、大弯矩分别为377.507 kNm （有房）、310.958k Nm（无房），最大轴力分别为2420kN（有房）、2020 kN（无房），发生位置均在隧顶处。3.5 二衬应力计算表明二衬应力在施工结束后最不利，最不利位置均发生在隧顶，具体数值分别见图3-193-22。图3-19 有地面建筑物时隧道在施工结束后二衬最大主应力/Pa图3-20 有地面建筑物时隧道在施工结束后二衬最小主应力/Pa图3-21 无地面建筑物时隧道在施工结束后二衬最大主应力/Pa图3-22 无地面建筑物时隧道在施工结束后二衬最小主应力/Pa3.6 地层应力图3-24无地面建筑物隧道在施工结束后地层应力比图3-23 有地面建

11、筑物时隧道在施工结束后地层应力比根据计算结果，隧道施工中地层稳定，在计算条件下基本上不会发生塑性流动，开挖结束后地层应力状态见图3-23和3-24。图中应力比为地层等效应力与屈服等效应力的比，当应力比大于1.0时该点进入塑性状态。4. 大跨断面计算结果4.1地表沉降有地面建筑物时，不同施工步地表沉降曲线如图4-1所示。无地面建筑物时，不同施工步地表沉降曲线见图4-2。图4-1 有建筑物时隧道在不同施工步下地表沉降(m)地表坐标/m地表坐标/m图4-2 无建筑物时隧道在不同施工步下地表沉降(m)4.2 地表变位施工完成时，有、无地面建筑物的隧道地表最大变位见表4-1。表4-1 地表的最大变位计算

12、模型最大沉降最大水平位移最大倾斜数值/mm位置数值/mm位置数值位置有地面建筑物19.8开挖结束后隧道中线11.1开挖结束后距隧顶水平距离12.5m处0.001开挖结束距隧中线8.4m处无地面建筑物15.9开挖结束后隧道中线8.8开挖结束后距隧顶水平距离13.2m处0.0008开挖结束距隧中线8.4m处4.3不同工况情况下地层竖向位移图4-3 有地面建筑物时隧道在施工结束后的地层竖向位移(m)隧道施工结束后，在不同工况下相应的地层竖向位移情况见图4-34-4。图4-4 无地面建筑物时隧道在施工结束后的地层竖向位移(m)4.4 支护内力图4-5 开挖部3支护弯矩/Nm在不同施工步时，有地表建筑物

13、隧道支护内力见图4-54-10。图4-6 开挖部3支护轴力/N图4-7 开挖部6支护弯矩/Nm图4-8 开挖部6支护轴力/N图4-9 施工结束支护弯矩/Nm图4-10 施工结束支护轴力/N无地表建筑物时，不同施工步的隧道初支内力见图3-113-16。图4-11 开挖部3支护弯矩/Nm图4-12 开挖部3支护轴力/N图4-14 开挖部6支护轴力/N图4-13 开挖部6支护弯矩/Nm图4-15 开挖结束支护弯矩/Nm根据计算结果，有、无地面建筑物区段隧道在相同开挖部下初支内力分布形式相同，无地面建筑物的隧道初支内力在数值上相对有地面建筑的要小，临时支护在开挖结束时内力分布最不利，但在数值上比初支小

14、；初支在施工结束时内力分布最不利，最大弯矩分别为288.437kNm （有房）、232.391k Nm（无房），最大轴力分别为2840kN（有房）、2310 kN（无房），发生位置均在拱腰处。图4-16 开挖结束支护轴力/N4.5 二衬应力计算表明二衬应力在施工结束后最不利，最不利位置均发生在隧顶，具体数值分别见图4-174-20。图4-17 有地面建筑物时隧道在施工结束后二衬最大主应力/Pa图4-18 有地面建筑物时隧道在施工结束后二衬最小主应力/Pa图4-19 无地面建筑物时隧道在施工结束后二衬最大主应力/Pa图4-20 无地面建筑物时隧道在施工结束后二衬最小主应力/Pa4.6 地层应力根据计算结果，隧道施工中地层稳定，在计算条件下基本上未出现塑性区域。5 计算结果分析计算过程中，分别对联拱和大跨两断面洞室施工力学行为进行了分析，分析结果如下：(1)由于围岩物性指标较高，隧道埋深较大，施工过程中地表沉降不大，有地面建筑物时，联拱断面和大跨断面区间地表沉降分别为12.2mm和19.8mm，地表沉降槽宽度较大(两断面均为100m左右)，地表沉降曲线相对平坦，最大倾斜值分别为0.0006和0.001，小于地面建筑物基础允许倾斜值0.002的要求。(2)各开挖步地层基本上无塑性区，地层稳定。两断面开挖过程中，拱部开挖完成后和拆撑时地表沉降有明显增加，施