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地鐵隧道小凈距下穿公路箱涵的設(shè)計(jì)與分析

2022-01-20 08:25楊中正
青海交通科技 2021年4期
關(guān)鍵詞:箱涵底板圍巖

楊中正

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

地鐵區(qū)間隧道敷設(shè)路段地形整體平緩,下穿區(qū)段圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí),地表下依次為混凝土路面、人工填土層、中風(fēng)化灰?guī)r;其中拱頂以上部分位于中風(fēng)化灰?guī)r層內(nèi),仰拱底部位于中風(fēng)化巖層內(nèi);區(qū)段內(nèi)無(wú)地表水分布,地下水主要為松散層孔隙水、基巖裂隙水及碳酸鹽巖溶管道水,地下水位埋深6.1~7.5m,標(biāo)高1243.7~1256.9m。場(chǎng)地所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度。

1.2 隧道及箱涵概況

地鐵區(qū)間隧道采用礦山法施工,為馬蹄形斷面結(jié)構(gòu),開(kāi)挖跨度為6.76m,高度為7.26m,采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。市政路箱涵為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),凈高約7.7m,凈寬約21m,于2015年底建成并通車(chē)。

1.3 相互關(guān)系

地鐵區(qū)間右線于YDK21+128~ZDK21+163段、左線于ZDK21+128~ZDK21+163段下穿市政公路箱涵,箱涵與區(qū)間線路基本正交,箱涵底板與隧道頂板的凈距約2m。地鐵區(qū)間隧道與公路箱涵平面關(guān)系示意見(jiàn)圖1。

圖1 地鐵區(qū)間隧道與公路箱涵平面關(guān)系示意

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 加強(qiáng)超前支護(hù)

區(qū)間隧道超前支護(hù)采用雙層φ42超前小導(dǎo)管,注漿后對(duì)注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn),確保涵底巖層軟弱部位有效填充,保證隧道開(kāi)挖拱部與涵底之間圍巖密實(shí),嚴(yán)控箱涵沉降。探測(cè)發(fā)現(xiàn)軟弱部位時(shí),采用小導(dǎo)管進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿。注漿過(guò)程中注意注漿導(dǎo)管與涵底的距離控制,保證相應(yīng)的安全距離,適當(dāng)調(diào)整注漿導(dǎo)管打設(shè)角度、方向及注漿壓力,避免箱涵與導(dǎo)管發(fā)生沖突或由于注漿壓力過(guò)大造成的箱涵混凝土結(jié)構(gòu)破壞。

2.2 優(yōu)化襯砌支護(hù)參數(shù)

考慮隧道與箱涵的相互影響,對(duì)本段內(nèi)隧道襯砌結(jié)構(gòu)予以加強(qiáng),以確保其結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。區(qū)間隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),其中初期支護(hù)為28cm 厚C25網(wǎng)噴混凝土,內(nèi)置工20b型鋼鋼架,并鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿,二次襯砌為50cm厚C35鋼筋混凝土(表1)。

表1 隧道支護(hù)參數(shù)表

2.3 優(yōu)化施工方法

(1)隧道下穿箱涵段采用人工或機(jī)械開(kāi)挖,不采用常規(guī)爆破開(kāi)挖。環(huán)向初期支護(hù)鋼架、豎向支撐鋼架開(kāi)挖一榀支護(hù)一榀,逐榀成環(huán)推進(jìn)[1]。根據(jù)圍巖情況及周邊建構(gòu)物情況必要時(shí)對(duì)掌子面噴射5cm混凝土封閉,并隨挖隨噴,避免掌子面掉塊、坍塌,架設(shè)臨時(shí)橫撐;盡早施作二次襯砌。

(2)下穿段采用臺(tái)階法開(kāi)挖,開(kāi)挖后立即封閉上臺(tái)階開(kāi)挖面,上臺(tái)階初支形成后立即對(duì)初支背后進(jìn)行回填注漿填充。上臺(tái)階每循環(huán)開(kāi)挖支護(hù)進(jìn)尺不應(yīng)大于1榀鋼架間距,邊墻每循環(huán)開(kāi)挖支護(hù)不得大于2榀[2]。仰拱開(kāi)挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿,每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺不應(yīng)大于3m,并及時(shí)封閉初支鋼架,初支鋼架封閉距離掌子面不超過(guò)0.5倍洞徑。

2.4 加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)

隧道施工期間應(yīng)開(kāi)展監(jiān)控量測(cè),必測(cè)項(xiàng)目有洞內(nèi)外觀察及掌子面地質(zhì)描述、拱頂下沉量測(cè)、周邊位移收斂量測(cè)、地表下沉量測(cè),其他項(xiàng)目為選測(cè)項(xiàng)目,包括初期支護(hù)和二次襯砌內(nèi)力、錨桿軸力,圍巖與支護(hù)間的壓力和圍巖內(nèi)部位移的量測(cè)等[3-4]。

隧道下穿段施工時(shí)加密監(jiān)測(cè)斷面,按照5m一處布設(shè)洞內(nèi)監(jiān)測(cè)斷面,對(duì)洞內(nèi)變形情況進(jìn)行監(jiān)控量測(cè),觀察描繪洞內(nèi)及地表沉降變化趨勢(shì);對(duì)洞外箱涵按照10m一處測(cè)點(diǎn)布設(shè),箱涵每個(gè)橫斷面布置四個(gè)測(cè)點(diǎn),分別位于結(jié)構(gòu)兩側(cè)隔墻上部及底板,測(cè)點(diǎn)布置務(wù)必與箱涵結(jié)構(gòu)有效接觸,能夠及時(shí)反映箱涵結(jié)構(gòu)沉降情況,不能超過(guò)安全限值,預(yù)警值為沉降限值的70%。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)值、變形趨勢(shì)及時(shí)驗(yàn)證并修正箱涵下方區(qū)間隧道工程措施。

3 計(jì)算依據(jù)

3.1 模型及參數(shù)

采用MIDAS/GTS有限元分析軟件進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。隧道的施工開(kāi)挖模擬采用地層—結(jié)構(gòu)模型;二襯與初支圍巖的相互作用采用荷載—結(jié)構(gòu)模型,二襯采用彈性梁?jiǎn)卧M,二襯與初期支護(hù)和圍巖的相互作用采用只能受壓的徑向彈簧單元模擬[5]。計(jì)算荷載按《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157-2013)及《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003-2016)(以下簡(jiǎn)稱《隧規(guī)》)等考慮圍巖壓力、地面荷載(車(chē)輛荷載與路面超載)及水壓力等[6-7]。

圍巖及襯砌材料的物理力學(xué)指標(biāo)按工程勘察報(bào)告及《隧規(guī)》取值[7],計(jì)算中考慮復(fù)合襯砌背后完全回填密實(shí),計(jì)算均假定襯砌背后圍巖能提供彈性反力。具體取值見(jiàn)表2~3。

表2 圍巖計(jì)算參數(shù)表

表3 襯砌材料參數(shù)表

3.2 控制標(biāo)準(zhǔn)

下穿區(qū)段安全性的判定標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)在兩個(gè)方面,一是隧道結(jié)構(gòu)自身的施工及運(yùn)營(yíng)安全,二是隧道下穿引起的箱涵的安全性。

由此,模型的截面強(qiáng)檢算按照破損階段法檢算,二襯按照偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行檢算分析。隧道結(jié)構(gòu)的安全控制標(biāo)準(zhǔn)可按照《隧規(guī)》執(zhí)行,如表4所示。

表4 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)

根據(jù)市政公路的營(yíng)運(yùn)速度,結(jié)合規(guī)范、主管部門(mén)意見(jiàn)以及國(guó)內(nèi)外地鐵施工經(jīng)驗(yàn),為保證箱涵的安全性,采用如下控制標(biāo)準(zhǔn):箱涵最大沉降值不超過(guò)15mm,差異沉降值不超過(guò)5mm。

4 影響分析

4.1 隧道開(kāi)挖對(duì)箱涵的影響

隧道下穿箱涵段落采用臺(tái)階法施工,為人工或機(jī)械開(kāi)挖。考慮隧道影響范圍一般為3倍洞徑,因此模型左右側(cè)取區(qū)間隧道最外邊沿20m,下側(cè)取區(qū)間隧道最下邊沿20m,上側(cè)為地表面??v向上考慮箱涵的影響范圍,取箱涵兩側(cè)各20m。計(jì)算分析邊界條件取為:計(jì)算土體的底面約束豎直方向z的自由度,計(jì)算土體的側(cè)面約束側(cè)向x、y方向的自由度,地表為自由面。模型如圖2~3所示。

圖2 計(jì)算模型圖

圖3 箱涵與區(qū)間隧道平、立、縱相對(duì)位置關(guān)系圖

地層巖體采用4節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元模擬,隧道襯砌及箱涵結(jié)構(gòu)采用3節(jié)點(diǎn)三角形板單元模擬[8]。整個(gè)模型共有126926個(gè)有限元單元,21560個(gè)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)考慮地表車(chē)輛荷載以及箱涵底板車(chē)輛荷載,根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014),車(chē)輛荷載按均布荷載且q=10.5 kPa考慮[9]。

結(jié)合類似工程實(shí)例,開(kāi)挖引起的側(cè)向水平位移較小,可忽略不計(jì)[10],本文主要分析區(qū)間開(kāi)挖引起的箱涵豎向沉降,即在進(jìn)行變形分析時(shí)主要考慮z方向上的位移。整體模型豎向位移、箱涵與區(qū)間隧道相對(duì)豎向位移如圖4~8所示。

圖4 模型整體位移圖

圖5 箱涵與隧道相對(duì)位移圖

由以上工況分析可知:(1)區(qū)間隧道開(kāi)挖后產(chǎn)生的最大拱頂沉降約為9.2mm,最大拱底隆起9.5mm,兩者相差不大;(2)箱涵產(chǎn)生整體向下的豎向沉降位移,沉降量較區(qū)間隧道小。

圖6 箱涵整體位移圖

圖7 箱涵底板位移圖

由以上工況分析可知:(1)箱涵整體位移呈中間大兩側(cè)小的的趨勢(shì),呈對(duì)稱狀;(2)若取箱涵底板單獨(dú)研究分析,左右箱涵底板位移基本相同。箱涵在區(qū)間隧道正上方區(qū)域沉降較大,其余區(qū)域沉降較??;(3)任取某一箱涵底板中線,提取其沉降曲線,可分析出箱涵的底板沉降槽曲線在區(qū)間隧道開(kāi)挖處沉降較大,向其它區(qū)域延伸,沉降值則逐漸變小。

圖8 箱涵底板沉降槽曲線圖

因此,依據(jù)計(jì)算結(jié)果,箱涵最大沉降值約為4.02mm,最小沉降值為2.97mm,滿足箱涵沉降值不超過(guò)15mm且差異沉降值不超過(guò)5mm的要求,箱涵結(jié)構(gòu)是安全的。

4.2 隧道結(jié)構(gòu)安全分析

隧道與箱涵之間存在約2m厚的巖層,按淺埋隧道考慮將該巖層、箱涵結(jié)構(gòu)及地表的車(chē)輛附加荷載全部施加在隧道二襯結(jié)構(gòu)上;水位線位于區(qū)間隧道拱頂以上約4.5m,按靜水壓力直接作用于二襯。襯砌結(jié)構(gòu)荷載詳見(jiàn)表5。

表5 襯砌結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算表

將荷載施加在二襯結(jié)構(gòu)上,可以確定出現(xiàn)正負(fù)彎矩絕對(duì)值較大的幾個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)點(diǎn),提取關(guān)鍵點(diǎn)的軸力和彎矩進(jìn)行襯砌安全系數(shù)如表6所示。

表6 隧道結(jié)構(gòu)主要部位鋼筋混凝土安全性檢算

因此,依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,隧道的二次襯砌結(jié)構(gòu)各特征點(diǎn)的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求,且無(wú)需進(jìn)行裂縫檢算,隧道結(jié)構(gòu)是安全的。

5 工程實(shí)施

區(qū)間隧道下穿施工時(shí)對(duì)隧道自身和公路箱涵進(jìn)行監(jiān)控量測(cè),隧道自身按5m一處布設(shè)洞內(nèi)監(jiān)測(cè)斷面;箱涵按10m一處布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面,測(cè)點(diǎn)布置于結(jié)構(gòu)兩側(cè)、隔墻上部及底板。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,箱涵沉降在區(qū)間隧道開(kāi)挖至其正下方時(shí)達(dá)到最大,取下穿中心及前后兩處測(cè)量斷面的箱涵底板、隧道拱頂數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,箱涵及隧道自身沉降結(jié)果如表7所示。

表7 箱涵及隧道自身沉降結(jié)果表

注:DX-3、DS-9分別為下穿中心處箱涵底板及隧道拱頂測(cè)點(diǎn)樁號(hào)。

數(shù)據(jù)表明,箱涵及隧道自身沉降均滿足控制要求,計(jì)算分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值相差不大。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)地鐵區(qū)間暗挖礦山法隧道與市政公路箱涵的基本情況進(jìn)行分析,圍繞“采取加強(qiáng)超前支護(hù)、優(yōu)化襯砌支護(hù)參數(shù)、優(yōu)化施工方法以及加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)”幾個(gè)方面提出了設(shè)計(jì)方案,并運(yùn)用MIDAS/GTS有限元軟件分析了隧道開(kāi)挖過(guò)程中箱涵的沉降變形規(guī)律以及隧道自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,得出如下結(jié)論。

(1)地鐵隧道下穿箱涵施工時(shí),區(qū)間隧道拱頂與箱涵底板均產(chǎn)生豎向沉降位移,而后者較前者小;

(2)隧道的開(kāi)挖將引起上方箱涵的豎向不均勻沉降,最大沉降值為4.02mm,實(shí)測(cè)最大沉降值為3.57mm,滿足沉降控制值的要求;

(3)隧道結(jié)構(gòu)加強(qiáng)超前與襯砌支護(hù),采用機(jī)械開(kāi)挖對(duì)下穿施工有著積極的作用,有效減小了箱涵的沉降,削弱了不利影響;

(4)該地鐵區(qū)間已順利通車(chē),期間加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè),根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)以指導(dǎo)施工,是隧道成功下穿箱涵的重要保障。

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