盾构隧道近距离旁穿地面建筑物的模拟分析

<<土建技术#

盾构隧道近距离旁穿地面建筑物的模拟分析

冯慧君 范井越 张 杰

1

1

2

(1.中铁三局集团有限公司 太原 030001;2.中铁三局集团有限公司桥隧分公司 河北邯郸 056036)

位于曲线上,曲线半径为599.95m。隧道埋深约为

摘 要 针对越来越多的盾构隧道需要穿越地面建筑物的情况,对施工过程进行有限元模拟分析,包括计算参数的选取、计算工况的分析,根据分析结果,确定掘进施工参数和邻近建筑物的保护措施;在后续盾构在掘进过程中,加强地面和洞内的施工监测,做好施工的动态信息化管理,确保盾构顺利穿越地面建筑物。

关键词 盾构隧道 有限元分析 监测

10.6m(隧顶距离地面),区间隧道至常州里居民楼最小水平净距约为3.14m,盾构隧道与楼房的相对位置平面见图1。常州里37楼为6层砖混结构,原属企业职工楼,建于上世纪90年代中期,采用筏片基础,埋深2.5m。盾构机采用德国HERRENK公司生产的土压平衡盾构机(EPB),盾构机刀盘直径6390mm,采用同步注浆方式。隧道衬砌采用预制钢筋混凝土管片,管片外径6200mm,内径5500mm,管片宽度1200mm。

图1 盾构隧道与楼房的相对位置

#

由于盾构施工的先进性和高效性,盾构技术在城市地铁隧道施工中得到越来越广泛的应用,但是盾构施工也存在大量的风险因素。由于盾构隧道多建于城市繁华地带,地面建筑物多,施工过程中对地层的扰动,会对地面建筑物的安全造成威胁,甚至会带来灾难性的后果,所以应对盾构穿越建筑物的施工过程进行模拟分析和动态管理,以确保施工安全。天津地铁2号线第10合同段作为天津地铁2号线率先开工的盾构工程,工程地质条件复杂,需要穿越多处地面建筑物和桥梁桩基,施工难度大。如何在盾构穿越过程中,确保建筑物的安全,避免过度沉降和隆起,是盾构施工过程中的难点。

1.2 地质水文概况

盾构隧道旁穿常州里居民楼位置的地质结构从上到下分别为:¹1杂填土,深度在0~2.1m;»1、¼1粉质黏土,深度在2.1~12.4m;¼3淤泥质粉质黏土,深度在12.4~14.2m;¾1粉质黏土,深度在14.2~18.8m;¾3粉砂层,深度18.8~20.2m。该段隧道中心标高在-11.73~-12.06m。穿越范围处隧道顶覆土为10.44~10.92m,隧道穿过土层大部分为粉质黏土,底部为粉砂层,砂层中富含地下微承压水。盾构隧道与常州里37楼剖面关系见图2。

#

1 工程及地质概况

1.1 工程概况

天津地铁2号线第10合同段是红星路)靖江路区间,左线长769.402m,右线长759.371m,盾构从红星路站始发向东掘进,在靖江路站完成接收。该区间隧道右线从常州里37居民楼楼侧穿过,穿越范围为右线DK14+813~DK14+898,长度约85m。穿越处线路

收稿日期:2008-10-13 修回日期:2008-11-10

作者简介:冯慧君,男,工程师,从事地铁工程的施工与技术管理,

fengjun166@126.com

#

2 旁穿楼房施工的有限元模拟分析

2.1 模型建立

计算程序采用美国ItascaConsultingGroupInc.开发的三维有限差分计算软件FLAC3D(fastlagrangiananalysisofcontinua,FLAC2.6)进行数值模拟计算。根据

74 URBANRAPIDRAILTRANSIT

盾构隧道近距离旁穿地面建筑物的模拟分析

据。为了使得模拟的结果更加贴近事实,本计算严格按照实际施工步骤进行模拟分析,即:开挖掘进)安装管片)同步注浆)开挖掘进,见图3。

图3 模拟盾构右线隧道穿越37#楼房

2.3 模拟结果分析

为了重点监测盾构掘进对楼房产生的影响,把监

图2 盾构隧道与常州里37#楼的剖面关系

测点设在楼房基础下,用以监测楼房的下沉和偏移。对于软土地层的盾构隧道,地层荷载在掘进过程中释放,作用在盾构管片结构上,地层出现沉降槽。通过三维仿真分析可以看到,在没有考虑二次注浆的情况下,穿越楼房后的地表最大位移为16mm,二次注浆后预计可以控制在-3~10mm警戒范围之内。土压平衡式盾构在掘进施工过程中,工作面为封闭状态,破坏区主要集中在开挖隧道的周围,在盾尾脱出后产生一定的建筑空隙。产生破坏区的原因主要是开挖扰动及盾尾脱离后同步注浆的强度还没有形成,此时洞室围岩基本没有支撑就向开外洞室处位移,释放内部应力,所以洞室周边的围岩首先发生破坏,形成围绕隧道的破坏区。从模拟分析结果来看,破坏区基本没有连通,只是在楼的近边缘与隧道呈45b角处,有出现受剪切塑性区连通的可能。盾构通过后土体位移及速度逐渐收敛而稳定,此阶段的掌子面土压力大致为0.2MPa,从模拟结果看,正常推进是可行的。模拟盾构穿越楼房塑性区分布见图4,模拟地层位移分析见图5,模拟盾构穿越楼房过程中楼房基础下监测点位移曲线见图6。

圣维南原理,为保证边界条件,根据不同的施工条件和地质情况,应取开挖洞室尺寸的3~5倍,以保证边界处的位移基本为0。该工程模型尺寸横向取80m,竖向取60m,纵向取100m,以足够大的模型保证计算精度。同时,为保证计算尽可能贴近实际,对隧道周边及房屋周围的单元进行加密,对整个模型进行网格单元优化。

2.2 施工过程模拟

模型建立后,给各层土体附上其属性,但是此时的模型只是各层土体的堆积,不是现实中的原状土体。在附弹性模型后,在土体自重作用下,土体自动开始固结沉降,形成原状土体的应力场,这一过程在地层形成中就已经完成,但在模拟时会有下沉的位移和速度。为了得到开挖引起的位移,必须把地层压实过程中形成的位移和单元位移速度清除,这样才不至于造成位移的叠加,得到的位移才是开挖引起的位移。在清除位移和位移速度后,保存土体压实过程中的应力,至此就是现成原状土体,此时进行相关的施工仿真模拟所得到的结果就是施工引起的变化和工程所需要的数

URBANRAPIDRAILTRANSIT 75

都市快轨交通#第22卷第1期2009年2月

3 盾构掘进施工

盾构穿越常州里居民楼位置具有埋深浅、掘进距离长等特点,此次穿越施工具有较高难度。基于上述原因,通过采用科学、合理的盾构施工技术措施,控制地面沉降在-20~+10mm范围内,以确保施工过程中地面楼房的安全。盾构施工前,在地面沿盾构推进方向设置沉降观测孔。盾构推进时,根据地面沉降监测信息的反馈,精确测定地层的变形与盾构机密封仓土压力设定值,并及时调整土压和出土量,科学合理地设置土压力值及相宜的推进速度等参数,根据地面荷载的情况,重新计算土压平衡设定值,并根据地面隆陷值加以调整,使盾构匀速推进,防止超挖和欠挖,从而减少对土体的扰动。

3.3.1 同步注浆

采用盾构机同步注浆系统进行注浆,浆液采用可

硬性浆液。为保证浆液能以稳定的压力及时填充空隙,注浆压力控制在0.25~0.3MPa范围内,浆液用量控制在5.0~5.5m/环。在最初的压力设定时,下部每孔的压力比上部略大0.05~0.1MPa,注浆时的流量应根据推进的速度进行调节。在同步注浆过程中,做到/掘进、注浆同步,不注浆、不掘进0,通过控制同步注浆压力和注浆量双重标准来确定注浆时间,注浆量或注浆压力达到设定值后才停止注浆,否则仍需补浆。

3

3.3.2 二次注浆

根据监测数据及实际需求,确定注浆施工环数、每个注浆环施工孔数、每孔注浆量、注浆次数。在盾尾后5~8环处,从隧道上部注浆孔进行双液注浆,在盾尾后10环从隧道下部注浆孔进行注浆,以减少盾尾脱出后土体的沉降,同步注浆施工控制原则为少量多次,每次注浆后以达到稳定测点并略有回升为原则,单次注浆应将其抬升量控制在1.0~2.0mm,如此反复多次,以达到稳定的目的。

3.1 施工参数的选取

通过盾构试掘进以及穿越顺驰立交桥的施工,项目部已总结出合理的施工参数,以/慢慢地推,分小段推;慢慢地转,均匀地转;顶住正面,调整压力;封住盾尾,合理注浆0的技术内涵为基础,合理设定了盾构机在穿越37楼房段的施工参数,即推进速度为2~3cm/min,刀盘转速为0.8r/m,螺旋输送机转数控制最大为19r/m,千斤顶推进速度控制在2~4cm/min,土仓压力为0.2?0.02MPa,同步注浆量为5.0~5.5m/环,同步注浆压力为0.25~0.3MPa。严格按参数施工,减少对地层的扰动,并及时填补建筑空隙,以达到保护楼房的目的。

3

#

3.3.3 跟踪注浆

注浆位置与注浆量按实际情况及要求而定。

4 施工监控数据分析

4.1 地表建筑物沉降和倾斜监测点布置

在盾构隧道穿越地面建筑物段,在37楼四角设沉降观测点,共布点11个。沿隧道轴线按间距5m设监测点,每30m布置一个监测横断面,穿越楼房区域地面沉降监测点共布设36个。

在37楼进行重点倾斜监测,布设2个倾斜监测断面,每个断面布设2个倾斜监测反射片,一共布设4个倾斜监测点。楼两侧的倾斜监测采用山墙上2个沉降点的差异沉降法来实施。

#

#

3.2 采用信息化施工

采用信息化施工,利用监测结果指导施工,不断优化施工参数,提高推进水平。所谓/三同步0,即监测现场、指挥中心(盾构数据采集系统办公室)与盾构中央控制室数据同步传递。监测现场将最新数据传递到指挥中心,指挥中心根据监测数据对照盾构数据采集系统显示的数据进行施工参数优化,向盾构中央控制室发出操作指令,盾构推进后的效果又反映到监测数据的变化,如此循环做到动态管理。

4.2 监测数据分析

2007年10月15日开始穿越前的施工准备,同年10月30日顺利穿越地面建筑物,2008年2月2日红)靖区间右线顺利贯通,盾构解体转场。通过对37居民楼进行完整的监测,37楼最大沉降为4mm,穿越段隧道地面沉降最大5.95mm,山墙倾斜率0.6j,小于预警值1.6j。上述的监测数据证明,沉降数据小于模拟分析的最大位移16mm,说明选取的施工参数和采取的技术措施是可行的,保证了地面建筑物的安全。37楼监测点最终沉降曲线和隧道地表沉降监测曲线见图7、图8。

#

#

#

3.3 同步注浆和二次注浆

在盾构穿越过程中及后期固结期间,根据地面沉降及楼房沉降、倾斜情况对穿越楼房的影响范围,在隧道外侧采取双液注浆加固,以严格控制地面房屋沉降,确保建筑物安全。注浆方案拟分3步进行:可硬性浆液同步注浆、可硬性浆液二次壁后注浆(多次进行)、土体加固跟踪注浆(双液浆)。 76 URBANRAPIDRAILTRANSIT

盾构隧道近距离旁穿地面建筑物的模拟分析

理,不仅能够做到远程数字及视频传输,还能进行远程监控管理和自动报警,实现了现场主要管理人员实时监控施工,并随时针对隧道施工情况对各项参数进行分析,根据分析结果对隧道内的作业人员发出指令,及时调整盾构掘进参数,起到了很好的指挥管理效果。参考文献

5 结语

此次盾构区间穿越地面建筑物段地层为粉质黏土和粉砂层,地下水丰富,施工难度很大,盾构安全平稳地穿越地面建筑物,在天津地铁2号线施工尚属首次,为后续盾构施工提供了经验总结。在盾构施工过程中,采用信息化施工,做到/三同步0动态管

[1]郭玉海.盾构穿越铁路的沉降综合控制

技术[J].市政技术,2003(4).

[2]唐益群,叶为民.上海地铁盾构施工引起地面沉降分析研

究[J].地下空间,1994,15(4).

[3]金维,张建全,吴锋波,等.盾构下穿首都机场施工监测变

形持性分析[J].都市快轨交通,2008,21(5).

(编辑:郝京红)

SimulationAnalysisforaShieldTunnelDrivingalongsideaSurfaceBuilding

FengHuijun FanJingyue ZhangJie

1

1

2

(1.TheThirdEngineeringGroupCo.,Ltd.,ChinaRailways,Taiyuan030001;2.BridgeandTunnelEngineering

Company,theThirdEngineeringGroupCo.,Ltd.,ChinaRailways,Handan,Hebei056036)

Abstrac:tInviewofashieldtunneldrivingalongsideasurfacebuilding,finiteelementanalysisforthesmiulationofconstruction

processwasperformed,includingtheselectionofcomputationparametersandtheanalysisofworkingconditions.Basedonresultsofanalysis,tunnelingparametersandtheprotectionmeasuresfortheadjacentbuildingweredetermined;forlater-onshielddriving,constructionmonitoringonthegroundsurfaceandinsidethetunnelwerestrengthened,informationmanagementofworkingprocesswascarriedou,tandasmoothshielddrivingalongsidethesurfacebuildingwasensured.Keywords:shieldtunne;lfiniteelementanalysis;monitoring

行业动态通报

#北京市轨道交通指挥中心正式启用仪式举行。2008年12月26日,北京市轨道交通指挥中心正式启用仪式在小营指挥中心南厅举行。该中心是目前世界上集指挥调度和票务清算两大功能于一体,规模最大、接入线路最多、智能化水平最高的轨道交通路网管理中枢,它的启用标志着北京市轨道交通发展进入网络化运营管理新时代。北京城建设计研究总院为该工程的设计总体单位,试运行一年来,各项系统和指标运行稳定可靠,获得各方好评。

#广佛地铁2010年通车,广州去佛山将只需半小时。广佛地铁是国内第一条两个城市之间的地铁,按照80km的最高时速设计,全线共设21个车站,全程只需33min,约21km的首通段(魁奇路站-西朗站)将使佛山与广州中心区的时空距离大为缩短。

#广珠城轨有望亚运会前通车。从广州到珠海的广珠城轨全长116.9km,由65座大桥、特大桥连接组成,99%为高架,2006年6月全面开工,截至目前总体工程已完成近半,2010年11月广州亚运会前有望通车。

#大连将建国内最大的轨道交通装备基地。中国北车集团与大连市政府经过友好协商,正式签订战略合作框架协议,投资80亿元,扩建改造中国北车大连机车车辆有限公司,在大连打造世界级国内最大的现代化轨道交通装备和通用动力机械制造基地。

摘编自/城市轨道交通技术推广委员会05动态通报6总第35~36期

5城市轨道交通供电系统设计

原理与应用6出版

(本刊讯)与铁路牵引供电系统相比,城市轨道交通牵引供电系统有其自身的特点,这方面的基础教材、专业书籍、设计手册等都比较缺乏。本书作者在总结以往城市轨道交通供电系统设计经验的基础上,系统阐述了城市轨道交通供电系统的设计理论、设计方法、设计实践。全书共分为19章,从基础知识、系统功能、系统构成、系统方案、计算方法、设备选型、设备布置、节能措施等进行了全面介绍,最后还列举了国内外工程设计应用实例。

本书由于松伟、杨兴山、韩连祥、张巍编著,中国工程院施仲衡院士作序,西南交通大学出版社出版,是四川省/十一五0重点图书。

URBANRAPIDRAILTRANSIT 77