地铁工程四线并行区间计算分析.docx

地铁工程四线并行区间计算分析地铁设计院工程设计证书:二0一三年六月天津地铁5、6号线工程环湖西路站〜宾馆西路湘线并行区间计算分析计算：校核：审核：审定：广州地铁设计研究院有限公司工程设计证书：甲级编号A144016445二0一二年四月1 工程概况 42 有限元模型 53 施工顺序分析 64 盾构净距的影响 95加固措施的影响 96 叠线段隧道内力 107 结论 138 参考文献(References) 131工程概况随着我国地铁建设的快速发展，地铁上下重叠隧道也越来越常见天津地铁工程为实现5、 6号线的环湖西路站、宾馆西路站同台换乘，换乘车站均采用左右线站台上下重叠的岛式站 台方案环湖西路站〜、宾馆西路站两个换乘车站之间将建成4条盾构隧道：其中6线盾构隧 道在整个区间均为上下重叠方式，5号线盾构隧道在车站两端局部重叠（如图4所示）6号线环湖西路站〜宾馆西路站区间为盾构区间，单线隧道总长右线1099m区间与5号 线设置水平联络通道区间隧道西起环湖西路站，沿宾水道向东敷设下穿卫津南路、环湖 西路、环湖中路，到达宾馆西路站本区间左右线平面完全重叠，其中左线在下，右线在上 5号线宾馆西路站〜环湖西路站区间为盾构区间，单线隧道总长右线1149m。

与6号线互设水 平联络通道，均采用冻结法施工区间隧道东起宾馆西路站，沿宾水道向西敷设下穿卫津 南路、环湖西路、环湖中路，途经市肿瘤医院、市热力公司、市教育招生考试中心等建筑物， 到达环湖西路站出宾馆西路站时，左右线为上下叠线（右线在上，左线在下）随后右线降 低，左线抬高分别至左右线最低点位置，此时左右线仍然形成上下叠线（左线在上、右线在 下），最后以叠线形式进入环湖西路站其中重叠段区间隧道长度约415m隧道所处地层为7、6-3、6-4、8-1、9-1粉质粘土层图1区间隧道总平面图图2区间隧道纵断面图一图3区间隧道纵断面图一目前国内尚未有这种整个区间均为上下叠线的工程实例本文将通过建立有限元模型分 析重叠隧道对以下方面进行分析：施工步序、盾构净距的影响、加固措施、重叠段隧道内力2有限元模型重叠隧道全长1099m，上下隧道线间距为8.6m〜14m上部隧道主要穿越全新统中组粉质 粘土层、下部隧道主要穿越全新统下组粉质粘土层杂填土层厚度约为2m，地下水位于地面 以下2m重叠隧道典型横断面如图5所示采用Plaxis有限元软件建立重叠隧道横截面的平面应变模型为了减小边界效应对计算 结构的影响，区间隧道中心距离计算模型边界为30m。

地层采用平面应变三角形单元、摩尔 库伦模型模拟，盾构隧道(外径6.2m，内径5.5m，管片厚度为0.35m)采用板单元、线弹性模 型模拟，土层、盾构管片采用的模型参数如表1所示有限元模型如图6所示图5重叠盾构隧道横截面表1材料特性表材料名称容重(kN/m3)弹性模量(kN/m2)泊松比卸载-再压缩模量(kN/m2)粘聚力C(kN/m2)内摩擦角(° )杂填土2012600.23780010全新统中组粉质粘土2044000.35132001416全新统下组粉质粘土2055000.35165001917盾构管片253.45X1070.15///图4同台换乘车站与重叠盾构隧道示意图图6 Plaxis有限元模型3施工顺序分析对于上下重叠隧道，存在先施工下部隧道再施工上部隧道（先下后上）与先施工上部隧道 再施工下部隧道（先上后下）两种施工顺序盾构净距为4m时，计算得到的两种施工顺序施工 过程中的竖向位移如图7、图8所示此外有限元模型中将地面、隧道拱部作为监测点（如图 5所示），其竖向位移随施工过程的变化如图10所示从计算结果可以看出：（1）施工上部、 下部盾构隧道都将使地面产生沉降，“先上后下”施工顺序地面累积沉降为15mm，“先下后上” 施工顺序地面累积沉降为18mm，两种施工顺序地面累积沉降相差不大；（2） “先下后上”施 工顺序中，后期施工上部隧道对下部隧道有卸载作用，下部隧道产生上浮；（3） “先上后下” 施工顺序中，后期施工下部隧道使上部隧道产生沉降。

a）先施工下部隧道的竖向变形（b）后施工上部隧道的竖向变形图7 “先下后上”施工过程变形图(a)先施工上部隧道的竖向变形(b)后施工下部隧道的竖向变形图8 “先上后下”施工过程变形图“先下后上”施工步序地面、衬砌拱部沉降(计算点见图2)图9图10 “先上后下”施工步序地面、衬砌拱部沉降(计算点见图2)由于施工过程中控制沉降难于控制上浮，根据相似工程的经验，本工程采用先下后上的施工 顺序先下后上”施工步序沉降曲线如图11所示Vertical displacements (Uy) Extreme Uy 18.19*10-3 mVertical displacements (Uy) Extreme Uy 24.24*10"^ m图11 “先上后下”施工步序地面沉降曲线4盾构净距的影响0 1 1 1 1 1 1 1 2 3 4 5 6 7 8盾构净距(m)图12 “先下后上”施工顺序盾构上浮量与盾构净距的关系图表2 “先下后上”施工顺序盾构上浮量与盾构净距的关系表隧道净距(m)34567上浮量(mm)11.210.29.28.27.4整个叠线区间盾构净距为2.36-7.8m，为进一步研究“先下后上”施工顺序中盾构上浮量 与盾构净距的关系，建立不同盾构净距的有限元模型，计算得到的下部隧道上浮量如图12 所示。

计算结果表明：盾构净距从3m变化至7m时，下部隧道均会产生上浮量；上浮量与盾 构净距基本呈线性关系，盾构净距越大，上浮量越小；盾构净距为7m时，上浮量仍达到7.4mm 这个上浮量不容忽视，在施工过程中必须采取有利措施控制下部隧道的上浮施工过程中拟 采取隧道周圈3m注浆加固措施予以加固5加固措施的影响实际施工过程中，拟采取注浆措施对重叠段隧道土体进行加固(如图14所示)，其具体做 法如下：(1)先施工下部隧道，加强同步注浆，同步注浆填充率＞150%； (2)采用注浆管对盾 构外围3m范围土体进行注浆加固，加固后的土体应具有良好的均匀性和较小的渗透系数，无 侧限抗压强度qjO.Em;⑶施工上部隧道，同样加强同步注浆，对盾构外围3m范围 土体进行注浆加固值得注意的是一般地段盾构管片注浆孔为6个(即封顶块、邻接块、标准 块均只有一个注浆孔)，叠线地段为满足注浆需要在邻接块、标准块上均增加2个注浆孔，总 注浆孔从普通到的6个增加到16个叠线段增设注浆孔管片如图13所示图13重叠段盾构管片图为分析土体加固对变形的影响，需要对加固后的土体选取合理的模型参数分别假定加 固后的土体弹性模量为50MPa、100MPa、200MPa，计算得到的下部隧道上浮量如图15所示。

从中可以看出采用注浆加固措施能有效减小下部隧道的上浮量，加固土体的弹性模量越大， 上浮量越小施工前应对注浆加固土体进行试验，确保注浆加固效果扁m修位浮上加固土体弹性模量(MPa)图14重叠段土体加固措施示意图 图15盾构上浮量与土体加固参数的关系6叠线段隧道内力仍以盾构净距为4m时为例，计算上下隧道在各施工步序中的内力变化情况仅开挖下部隧道时下部隧道内力如图16所示；开挖上部隧道时下部隧道内力如图17所 示；开挖上部隧道时上部隧道内力如图18所示a)弯矩：95.06kN.m(b)剪力：1250kN(c)剪力：60.58kN图16仅开挖下部隧道时下部隧道内力标准值(a)弯矩：17.79kN.m(b)剪力：1170kNk«mm«*m OIK r«it.aAa4M«HMA IIR(c)剪力：11.93kN图17开挖上部隧道时下部隧道内力标准值(b)剪力：662kN(a)弯矩：33.32kN.m(c)剪力：21.46kN图18开挖上部隧道时上部隧道内力标准值上部隧道开挖后，下部隧道的内力有大幅度减少，其中最大弯矩减少81%,且最大弯矩位 置发生在腰部；最大剪力减少81%；最大轴力变化不大由此可知下部隧道最不利工况为仅 开挖下部隧道时；上部隧道开挖对下部隧道有卸载作用。

7结论本文对地铁重叠盾构隧道施工过程中的变形、内力进行了分析，研究了施工顺序、盾构净距、重叠段土体加固措施的影响，得到了以下结论：(1) 先下再上、先上再下两种施工顺序中，地面沉降相差不大；(2) 先下后上施工顺序中下部隧道会上浮，先上后下施工顺序中上部隧道会沉降；(3) 盾构净距越大，先下后上施工顺序中下部隧道的上浮量越小；(4) 采用注浆加固措施能有效减少下部隧道上浮量5) 上部隧道开挖对下部隧道有卸载作用8 参考文献(References)[1] 刘钊，余才高、周振强.地铁设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2004.[2] 赵巧兰，林巍.小净距、长距离重叠盾构隧道设计、施工技术[J].铁道标准设计，2009,10： 78-83.[3] GB50157-2003,地铁设计规范[S].[4] GB50010-2010,混凝土结构设计规范[S].。