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盾构近接隧道施工力学行为分析            【字体:
盾构近接隧道施工力学行为分析
作者:佚名    文章来源:中国城市轨道网    点击数:    更新时间:2008-4-17



文章摘要:......


,接着修筑衬砌。新隧道每次推进距离为管片衬砌的宽度为 1.2 m。由于管片是处于盾壳保护下拼装完毕的,所以模拟开始需先模拟盾壳支护作用,即改变材料为钢壳材料,同时在开挖面上施加压力 P 来模拟盾构的推进力,后进行开挖,开挖部分为管片和管片内部所在的土体。当盾构向前行进时盾壳抽出向前,此时盾尾处的管片会露出,需要对盾尾留出的空隙进行注浆填充,以防止上部隧道沉降,此步需要重新激活被杀死的管片单元,改变此部分单元的材料为混凝土材料,同时改变盾尾空隙的材料为填充材料。       在采用“生死单元”模拟盾构开挖过程中,一般是先将土体单元“杀死”,然后在后续荷载步里“激活”被“杀死”的单元,同时改变材料特性。然而,在模拟盾构开挖过程中,如果采用上述方法,则会使土体在盾壳未支护下已先变形,这与盾构法施工的实际情况差别很大。因为盾构施工过程中,盾壳的推进(支护)与盾壳所在位置土体的破坏是同时完成的,土体的开挖是在盾壳的保护下进行的,这样,土体的变形和应力状态与实际受力状况有很大差别。因此,为了很好的模拟盾壳的支护作用,本文提出在盾壳所在土体单元上生成一层与土体单元材料不同的重叠单元。模拟过程中,先杀死材料为钢材(盾壳)的重叠单元,然后在后续荷载步计算过程中再杀死盾壳所在层的土体单元,同时激活相应位置的盾壳单元,并改变材料特性为盾壳材料。这样在此荷载步中,在盾壳支护下进行的土体开挖计算更符合实际受力过程。 3 计算结果分析       以往的工程计算表明,对于垂直交叉隧道问题,新隧道影响既有隧道的范围一般从距离为 8 m左右开始影响比较大,即新隧道工作平面距离既有隧道的轴线为 8 m 将既有隧道自身受影响分析取 7个截面,每个截面相隔为 4 m,所取截面 1 位于两隧道垂直交叉的正上方,沿左右方向每 4 m,分别取 3 个截面,即主要分析既有隧道的受影响距离为24 m。 3.1 1 号截面随盾构开挖产生的位移和应力分析       由于 1 号截面恰好位于新建盾构隧道轴线的正上方,即最危险的截面,整个开挖过程中的既有隧道衬砌的最大位移和主应力随开挖推进的变化见图2。以下仅给出盾构机工作平面上作用的最大推进力 P=1 MPa 时的结果。图 2、图 3 分别为既有隧道衬砌最大位移、最大水平位移与推进步数关系。从图 2 可以看出,整个开挖过程既有隧道衬砌竖向发生了向上的隆起,这主要受盾构工作平面所施加的推进力有关,因此施工时需要严格控制盾构机的施工参数。另外,左右隧道衬砌的最大竖向位移相差 1.5 mm 左右,不是发生在同一开挖步内,左侧既有隧道衬砌的最大竖向位移要大于右侧既有隧道衬砌的位移,这是由于在同一推进力作用下左右两侧既有隧道的受力不是对称的。       从图 3 可以看出,左右隧道衬砌的最大水平位移相差 1.2 mm 左右,且右侧最大水平位移发生在第 21 步,即盾构工作平面推进到两隧道中间的下方,而左侧最大发生在第 25 开挖步。两隧道水平位移最大数值并不是都发生在工作平面推进到既有隧道正下方,这是由于盾构的经过时盾构机中的千斤顶反力需要一定的累积才能使得对既有隧道水平位移的影响显现出来,因此左侧既有隧道衬砌的水平位移要大于右侧既有隧道衬砌的水平位移。       由图 4 可以看出,左右两既有隧道衬砌最大主拉应力的数值均超过了 2 MPa,且右侧衬砌最大数值大于左侧既有隧道衬砌。从第 9 开挖步开始,最大主拉应力数值突变比较大,两既有隧道衬砌最大主拉应力在此步开挖时均超过 1.5 MPa,这也与一些已经完成的工程所得结论一致,即盾构工作平面距离右侧既有隧道轴线距离 10 m 左右时,盾构机进入了对于既有隧道影响比较大的范围以内,施工过程中当盾构推进到此范围时应严格进行监测,并且实时调整盾构机的参数。从图 4 和图 5 中还可以看出,既有隧道衬砌最大主拉应力和主压应力数值与盾构工作平面距离既有隧道的距离有很大的关系。当盾构工作平面距离既有隧道 9 m 左右时影响凸现出来。 3.2 既有隧道受新盾构隧道开挖产生的影响范围       通过既有右侧隧道受新盾构开挖影响产生的竖向和水平向位移的范围可以分析既有隧道受新盾构隧道开挖产生的影响范围。从图 6 和图 7(图中箭头方向表示盾构推进步数的增加)可以看出,随着新建盾构隧道的盾构机向既有隧道推进,既有隧道的变形与盾构隧道推进方向一致。在推进力 P =1 MPa 时,右侧既有隧道衬砌水平位移在第 21 开挖步时水平位移达到最大为-7.828 mm。另外,在第 17 开挖步时竖向隆起达到最大,数值为 3.294mm,当盾构通过时水平位移和竖向位移均相对于盾构推进方向回落。从水平和竖向位移两者来综合分析可以看出,既有右侧隧道受开挖所影响的范围在 50 m 左右,即在此范围内右侧既有隧道衬砌的水平位移和竖向位移均超过了 1 mm。计算分析还发现,左侧既有隧道衬砌的竖向和水平位移变化规律与右侧既有隧道衬砌变化基本一致。不同的是,左侧既有隧道衬砌的竖向和水平位移均比右侧大,这主要由于受盾构开挖推进的不对称影响,导致两隧道在开挖过程中受力不对称,故最后变形幅度不同。 3.3 刀盘不同推进力对既有隧道产生的影响       由于盾构在推进过程中地质和周边环境的变化,盾构机参数的调整是一个实时的过程。模拟过程中主要采用推进力 P = 1,0.5,0.3 MPa 三种工况。由图 8 可看出,当推进力减小一半时右侧既有隧道衬砌的最大竖向及水平位移都有不同程度的减小,具体为最大竖向位移从隆起 3.294 mm 减小到1.665 mm,减小幅度大约为 49.4 %,而最大水平位移从-7.828 mm 减小到-3.115 mm,减小幅度大约为 6

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