CN111539052B - 地铁盾构区间近距离下穿顶管隧道沉降控制标准制定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地铁盾构区间近距离下穿顶管隧道沉降控制标准制定方法，其采用大型数值仿真计算软件对下穿施工进行了三维数值模拟，揭示了下穿施工对既有顶管隧道结构变形的影响规律，建立了以数值模拟为基础、以隧道管节接缝允许张开量和结构线型允许最小附加曲率半径为控制目标的既有隧道沉降控制标准，具有数值计算预测规律的正确性和沉降控制标准制定方法的可行性。
Description
技术领域
本发明涉及新建隧道近接下穿既有地下结构施工控制技术领域，具体涉及一种地铁盾构区间近距离下穿既有顶管隧道沉降控制标准制定方法。
背景技术
随着城市轨道交通的不断发展，新建隧道近接下穿既有地下结构施工控制已逐渐成为地铁建设过程中日益突出的热点工程问题之一。研究揭示地铁下穿施工引起的既有结构变形规律，科学制定下穿施工过程位移控制标准，对合理制定施工方案、实现下穿施工安全管理具有重要意义。
目前，在既有结构变形规律预测和沉降控制标准方面，部分成果是建立在经验公式(如Peck沉降曲线公式或区域性相关工程测试数据回归公式)基础之上的，其相应成果的针对性、可靠性、精准性均有待发展和提高；虽然也有建立在数值仿真技术基础之上的研究成果，但研究中工作量大且其成果方法的系统性、完整性仍有待完善。既有大断面顶管隧道受管节接头特性影响，对下穿施工扰动具有高敏感性和低适应性，相对于其他既有地下结构，其沉降控制要求更为严格，但相关研究成果却鲜有报道。
公告号CN209013971U的实用新型公开了一种地铁隧道变形自动监测系统，包括沉降监测终端、变形监测终端、服务器、电台、第一PC端和第二PC端，沉降监测终端通过通讯链路连接服务器，服务器通过通讯链路连接第一PC端，变形监测终端过通讯链路连接电台，电台通过通讯链路连接第二PC端，沉降监测终端包括静力水准仪和沉降通讯单元，静力水准仪连接沉降通讯单元，本实用新型设计合理，使用方便，能够较好完成地铁隧道下穿既有建筑物的安全监测工作，适合于较大区域变形监测，且为三维度变形监测数据，系统布置及工作效率高。
公告号CN109139019A的发明公开了一种潜埋暗挖隧道下穿地铁既有线路的监测方法，所述监测方法包括：在所述隧道中设置至少一个水准监测点，通过每个所述水准监测点进行水准监测以获得所述隧道的沉降信息；在所述隧道中设置至少一个净空监测点，通过每个所述净空监测点进行净空监测以获得所述隧道的净空信息；在所述隧道中设置至少一个爆破监测点，通过每个所述爆破监测点进行爆破监测以获得所述隧道的振动信息；通过无线通信方式接收所述沉降信息、所述净空信息以及所述振动信息；对所述沉降信息、所述净空信息以及所述振动信息进行分析，并基于分析结果生成对应的监测反馈信息。本发明还公开了一种潜埋暗挖隧道下穿地铁既有线路的监测装置。
公告号CN106649912A的发明公开了一种地铁隧道盾构下穿既有铁路设施的沉降预测方法：运用有限元软件中的ABAQUS软件建立土层路基铁路结构三维计算模型，计算既有铁路基础及轨道的竖向沉降位移；整理地铁隧道的现场实际下穿施工资料，包括地质条件、施工方法、断面形式及尺寸、埋深以及施工过程中沉降控制指标和沉降实测值数据；结合数值分析的结果，总结归纳地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有铁路基础及轨道的变形影响规律；通过预测值与基于施工工程中既有铁路变形控制指标体系中规定的沉降控制指标进行对比，对盾构参数、开挖方式以及开挖埋深进行调整。本发明能够提前采取相应合理的盾构参数进行隧洞开挖、地表设施沉降控制技术措施以及沉降监测控制技术。
公告号CN105971611A的发明公开了一种地铁隧道近距离下穿既有铁路干线路基沉降控制方法，包括地质勘察→超前物探→理论计算→隧道施工→列车限速→监控量测→优化隧道施工共七个步骤，构成一套完整的地铁隧道近距离下穿既有铁路干线路基沉降控制体系。在施工前先要掌握前方地质构造情况，再依据理论计算，精确掌握最大允许下沉量，从而有针对性的采用施工措施，达到施工人员与机械最优配置，同时通过计算机模拟方法，分析上行列车车速产生的动载荷对路基沉降量的影响，提出列车限速要求，最后进行铁路路基下沉量监测，依据监测数据，及时优化施工工艺。优化资源配置，提高工效，保证安全质量，降低施工成本，减小上行列车行驶产生的动荷载对铁路路基下沉量不良影响。
公告号CN105089698A的发明公开了一种地铁隧道下穿既有铁路的沉降控制方法，运用动力有限元理论建立线路结构-路基-土层三维计算模型，模拟分析不同隧道埋深、不同开挖方式下地铁隧道施工引起的隧道结构、土层和轨道基础之间的变形关系；并结合既有地铁隧道的下穿施工资料，总结归纳地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有线路基础的变形影响因素、变形影响规律以及对轨道不平顺的影响规律；基于既有铁路变形控制指标体系中对轨道静态几何尺寸、动态质量容许偏差管理的相关要求，提出地铁隧道下穿既有铁路的沉降控制指标；施工过程中实时监测的路基沉降量超过所述沉降控制指标，则发出报警。本发明能够减轻、消除和避免由于地铁施工引起的交叉既有铁路地表沉降的不利影响，为科学合理的开展地铁隧道施工安全评估提供手段。
但是上述方案只涉及地铁隧道下穿的沉降控制或沉降预测，对于沉降标准的制定并无涉及。
发明内容
本发明的目的提供一种地铁盾构区间近距离下穿顶管隧道沉降控制标准制定方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
地铁盾构区间近距离下穿顶管隧道沉降控制标准制定方法，按以下步骤进行：
(1)首先对工程勘察和设计资料进行仔细研究，选取工程关键里程段建立数值仿真计算模型，并根据勘察资料进行地层和结构参数的选取；
(2)利用大型数值仿真计算软件进行下穿隧道实际施工过程的模拟，分析既有顶管隧道变形规律并提取其各节点位移数据；
(3)依据实际工程建立既有顶管隧道的实体模型，顶管结构采用实体单元模拟，接缝位置节点采用非耦合接触，仅在顶管顶板中线位置对相应节点进行位移及转角自由度耦合，模型两端施加水平位移约束；将上述三维数值计算模型中的既有顶管隧道各节点位移计算结果，以荷载的形式施加到新建模型相应位置节点上，假定既有结构底板变形规律不变，并按比例调整既有结构底板的附加竖向位移量来搜索既有隧道结构接头达到最大允许张开量时所对应的竖向允许位移值；
(4)将数值仿真模分析中既有顶管隧道各节点竖向位移进行分析，拟合出随顶管隧道轴线方向变化的曲线并进行函数形式表达，利用高等数学中曲线方程与曲率半径的关系建立函数关系：
(5)查询相关规范，根据建构形式及安全状态确定结构安全控制所允许的最大接缝张开量和附加变形引起的极限曲率半径，分别代入步骤(3)和(4)中反算此时所允许的结构最大竖向位移变形。
所属步骤(2)中计算软件选用FLAC3D、ANSYS、ABAQUS，其根据工程特点及计算分析者具体情况选择计算软件。
本发明的有益效果是：
本发明采用大型数值仿真计算软件对下穿施工进行了三维数值模拟，揭示了下穿施工对既有顶管隧道结构变形的影响规律，建立了以数值模拟为基础、以隧道管节接缝允许张开量和结构线型允许最小附加曲率半径为控制目标的既有隧道沉降控制标准，具有数值计算预测规律的正确性和沉降控制标准制定方法的可行性。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是计算模型单元的整体模型单元划分情况示意图；
图3是计算模型单元的盾构隧道与既有隧道单元划分情况示意图；
图4是计算模型中测点布设示意图；
图5是计算模型中测线布设示意图；
图6是不同工况下监测点竖向位移变化；
图7是右线掘进完成既有顶管隧道竖向位移云图；
图8是施工完成既有顶管隧道竖向位移云图；
图9是右线掘进完成时各监测线沉降曲线形态示意图；
图10是施工完成时各监测线沉降曲线形态示意图；
图11是非机动车顶管隧道的既有顶管隧道结构模型；
图12是机动车顶管隧道的既有顶管隧道结构模型；
图13是非机动车顶管隧道的既有隧道结构变形示意；
图14是机动车顶管隧道的既有隧道结构变形示意；
图15既有隧道底板5、6号测线的沉降曲线；
图16既有隧道底板7、8号测线的沉降曲线；
图17是机动车顶管隧道的既有隧道最大曲率点两侧沉降曲线；
图18是非机动车顶管隧道的既有隧道最大曲率点两侧沉降曲线；
图19是现场监测点布置位置；
图20是C顶管隧道沉降结果；
图21是D顶管隧道沉降结果。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示，本实施例提供了一种地铁盾构区间近距离下穿顶管隧道沉降控制标准制定方法，按以下步骤进行：
(1)首先对工程勘察和设计资料进行仔细研究，选取工程关键里程段建立数值仿真计算模型，并根据勘察资料进行地层和结构参数的选取。
本实施例中，既有顶管隧道为市政道路顶管隧道，由4条顶管隧道构成，包括2条非机动车顶管隧道和2条机动车行车顶管隧道，机动车道隧道管节尺寸为：1.5m(长)×10.4m(宽)×7.5m(高)，壁厚700mm；非机动车道隧道管节尺寸为：1.5m(长)×6.9m(宽)×4.2m(高)，壁厚450mm。顶管隧道管节均采用承插式接头。
本实施例中，盾构区间以平面交角37°近距离下穿顶管隧道群，下穿段长约88m，新建隧道埋深约17.5m，隧道结构边缘距离顶管隧道底部边缘最小距离约为2.94m。
盾构区间下穿隧道位置地层从上往下依此为①-1层杂填土、②-31层粘质粉土、②-21层粉质黏土、②-33层粘质粉土、②-23层粉质黏土、②-34层粘质粉土、②-41层粉砂、②-51层细砂。区间所穿越地层为粉质黏土、粉砂层。经勘察，在46m深度范围内共观测到两层地下水，分别为：潜水，其稳定水位埋深9.2～11.7m；微承压水，稳定水位埋深14.1～16.7m，承压水头约4.0～6.5m。
本实施例中，数值分析中的地层和结构计算参数取值如下表1和表2所示。
表1各土层物理力学参数值
表2材料参数汇总表
(2)利用大型数值仿真计算软件进行下穿隧道实际施工过程的模拟，分析既有顶管隧道变形规律并提取其各节点位移数据。
为预测下穿施工过程中既有结构的变形规律和量值，寻找和发现施工变形的关键控制工况，并为下穿施工过程既有顶管隧道变形控制标准的制定提供理论基础，本实施例中采用FLAC3D有限差分程序建立了三维地质力学模型，对下穿施工过程进行了数值模拟。根据工程实际情况，模型尺寸大小：长度取140m，宽度取99m，高度为55.5m。计算模型中，隧道结构、注浆体、土体都采用实体单元来模拟，盾构机头采用壳单元模拟。单元数量为194120。具体模型如图2和图3所示。除地表设置为自由面外，其他各面均采用法向位移约束边界。地层采用的本构模型为摩尔库伦模型，隧道管片采用弹性本构模型。
本实施例中，在既有顶管底板不同位置共设置了7个监测点(如图4中①～⑦位置)及8条测线(如图5中数字1～8)，以便于监测分析不同工况下既有隧道变形及受力特点及其演化规律，具体测点及测线的布设情况如图4和图5所示。根据施工组织安排，本实施例工程执行新建隧道右线先行的原则，即当右线隧道完成下穿段施工后再进行左线隧道掘进。
(3)依据实际工程建立既有顶管隧道的实体模型，顶管结构采用实体单元模拟，接缝位置节点采用非耦合接触，仅在顶管顶板中线位置对相应节点进行位移及转角自由度耦合，模型两端施加水平位移约束。将上述三维数值计算模型中的既有顶管隧道各节点位移计算结果，以荷载的形式施加到新建模型相应位置节点上，假定既有结构底板变形规律不变，并按比例调整既有结构底板的附加竖向位移量来搜索既有隧道结构接头达到最大允许张开量时所对应的竖向允许位移值。
3.1)不同掘进工况下既有隧道底板监测点沉降演化规律
本实施例，不同掘进工况下，既有顶管隧道底板监测点沉降计算结果如图6所示。
图6中，掘进工况的含义为：工况1是指新建右线隧道掌子面掘进至监测点①下方，2为右线隧道掘进至监测点②下方，3为右线隧道掘进至监测点③下方，4为左线隧道掘进至监测点④下方，5为左线隧道掘进到监测点⑤下方，6为左线隧道掘进到监测点⑥下方，7为左线隧道掘进到监测点⑦下方。下同。
由计算结果可以看出，各测点沉降变形基本上均随新建隧道的不断掘进而不断增加；当新建隧道掌子面通过时对应测点的沉降会有明显加大；下穿施工结束时，既有隧道C和D受开挖扰动较为明显，监测点④沉降最大，沉降达到了6.6mm；既有隧道A和B的受影响效应未能充分体现可能与计算模型长度不足有关(受既有顶管沈庄工作井位置影响，为简化计算模型，模型边界取工作井边壁附近)。
3.2)不同施工阶段既有隧道底板沉降曲线特征
本实施例，不同施工阶段既有隧道竖向位移云图如图7、8所示，其底板沉降曲线如图9、10所示，横轴坐标原点即为图1沈庄工作井位置处。下同。根据计算结果，当右线掘进完成后，既有结构最大沉降位于顶管隧道D中部位置，最大沉降值为4.3mm；当下穿施工完成后，其最大沉降值有所偏移，位于距沈庄工作井70m处，最大值为7.6mm；由于测线与掘进方向斜交且受双洞依次掘进以及下穿空间位置的差异等影响，各侧线沉降槽均呈明显的非对称性，且有不同程度的偏转和平移；相对于A、B，顶管隧道C、D受盾构区间掘进扰动较明显，累计沉降相对较大；受模型长度影响，A、B两既有隧道的4条测线沉降曲线不完整；对比同一座既有隧道的两条测线沉降曲线可以看出，下穿施工过程中，既有隧道底板有横向不均沉降现象发生，但横向沉降差较小，均在2mm以内，不会对通行造成影响。
(4)将数值仿真模分析中既有顶管隧道各节点竖向位移进行分析，拟合出随顶管隧道轴线方向变化的曲线并进行函数形式表达，利用高等数学中曲线方程与曲率半径的关系建立函数关系：
4.1)基本原理
顶管隧道在使用过程中，管片的张开量和管线曲率是影响隧道正常使用的重要指标，在新建隧道下穿既有顶管隧道过程中，必然会对既有顶管隧道的张开量和曲率产生影响，在实际工程中外部工程施工扰动下既有结构的变形情况可通过现场监测获取，但外部工程扰动前既有结构的变形情况一般很难通过实测手段获得。因此，本实施例中既有车站结构的变形规律和数值主要取自前述三维数值模的结果。
本实施例中，依据实际工程建立既有顶管隧道的实体模型，模型长度为99m，顶管结构采用实体单元模拟，接缝位置节点采用非耦合接触，仅在顶管顶板中线位置对相应节点进行位移及转角自由度耦合，模型两端施加水平位移约束，如图11、12所示。
将前述三维地质力学模型的计算位移结果，以荷载的形式施加到新建模型相应位置节点上。根据计算结果，下穿施工过程中，既有隧道底板响应最为敏感，并将这种扰动效应上传至顶板和侧墙。因此可假定既有结构底板变形规律不变，并按比例调整既有结构底板的附加竖向位移量来搜索既有隧道结构接头达到最大允许张开量或极限曲率时所对应的竖向允许位移值。
关于既有顶管隧道结构接头允许张开量问题，目前尚无城市道路顶管隧道领域的相关技术规程和统一标准。《城市轨道交通设施结构安全技术保护规程》中规定：在外部施工作业情况下，既有顶管隧道在外部施工影响下管片张开量控制值可按表3取值。另外，也有文献(李文江,刘志春,朱永全.铁路站场下暗挖隧道地表沉降控制基准研究[J].岩土力学,2005(07):1165-1169.)在相关研究中建议柔性管道接头允许张开量应控制在3.75mm以内。
表3盾构法或顶管法地下结构安全控制标准值
注：表中Ⅰ类安全状况是指变形大或结构损伤严重，Ⅱ类安全状况是指变形较大或结构损伤较为严重，Ⅲ类安全状况是指除Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅳ类以外的情况，Ⅳ类安全状况是指未运营、变形较小且结构性能完好。
根据本实施例工程特点，外部施工影响下的既有顶管隧道允许张开量可取2mm；既有顶管隧道附加变形引起的曲率半径允许值应大于15000m。
4.2)基于既有顶管管节允许张开量的沉降控制标准
根据数值模拟计算结果，下穿施工过程中，既有顶管隧道C、D变形响应相对明显，因此，研究中，分别取既有顶管隧道C、D的数值模拟结果以位移荷载的形式施加到结构模型相应的节点上。顶管隧道变形形态如图13、14所示。
通过计算分析，机动车顶管隧道管节接头处张开量达到2mm时底板结构所对应的允许沉降值为57.5mm。非机动车顶管隧道底板允许沉降值为81.6mm。
4.2)基于既有隧道结构允许附加曲率的沉降控制标准
仍以既有顶管隧道C、D为分析对象，比较施工完成后C、D顶管隧道4条监测线与底板中线位置处竖向位移，如图15、16所示。
从图15、16中可以看出，各测线沉降曲线均呈明显的非对称性，且其最大曲率均位于最大沉降值位置。其中6、8号监测线的最大沉降值、局部斜率和曲率与其他测线相比均相对较大，为精准确定曲线最小曲率半径，简化回归方程表达形式，研究中仅取6、8号监测线竖向位移的部分曲线作回归分析(所取曲线应最大沉降点附近一定范围的数据及图中线型相对简单的一侧数据)，并将坐标原点平移至最大沉降点位置，如图17、18所示。
所得沉降回归方程符合Peck公式，具体表达如下：
机动车顶管隧道底板沉降曲线拟合：
非机动车顶管隧道底板降曲线拟合：
曲率半径可表示为：
(5)查询相关规范，根据建构形式及安全状态确定结构安全控制所允许的最大接缝张开量和附加变形引起的极限曲率半径，分别代入(3)和(4)中反算此时所允许的结构最大竖向位移变形。
假定沉降曲线规律不变，调整最大沉降量，当最小曲率半径达到15000m，对应的允许最大沉降限值为：机动车顶管隧道30.9mm，非机动车顶管隧道27.8mm。
综合上述分析结果，既有非机动车顶管隧道对沉降变形的适应性相对较差，下穿施工过程中应予以重视，而基于既有隧道结构允许附加曲率的沉降控制要求相对较为严格。从确保施工安全角度出发，同时也为简化施工管理指标，施工中既有行车隧道和非机动车隧道均采用统一的最大沉降控制限值，即允许最大沉降不应大于25mm，预警值均按允许最大沉降的50％设置，即12.5mm。
(6)监测结果
为保证施工安全，在下穿段影响范围内布设了监测点，具体测点布置如图19所示。
图20、21分别为既有顶管隧道C、D结构底板测线的沉降实测结果与数值计算结果。图中沉降曲线显示：数值模拟结果稍小于现场监测结果，但两者规律性吻合较好，证明基于数值结果建立的沉降控制标准实际可行；施工过程沉降控制效果较好，累计沉降远小于所制定的预警值。
本实施例采用FLAC3D大型有限差分程序对下穿施工进行了三维动态数值模拟，揭示了下穿施工过程中既有顶管隧道结构变形规律和形态特征：由于测线与掘进方向斜交且受双洞依次掘进以及下穿空间位置的差异等影响，各侧线沉降槽均呈明显的非对称性，且有不同程度的偏转和平移；相对于A、B，顶管隧道C、D受盾构区间掘进扰动较明显，累计沉降相对较大；对比同一座既有隧道的两条测线沉降曲线可以看出，下穿施工过程中，既有隧道底板有横向(垂直于通行方向)不均沉降现象发生，但横向沉降差较小，均在2mm以内，不会对通行造成影响。
本实施例形成了以数值模拟为基础、以隧道管节接缝允许张开量和结构线型允许最小附加曲率半径为控制目标的既有隧道沉降控制标准的制定方法。从确保施工安全角度出发，施工中既有行车隧道和非机动车隧道均采用统一的沉降控制限值，即允许最大沉降不应大于25mm，预警值均按允许最大沉降的50％设置，即12.5mm。
本实施例施工过程中开展了监控量测工作，监测结果证明基于数值结果建立的沉降控制标准实际可行；施工过程沉降控制效果较好，累计沉降远小于所制定的预警值，下穿施工安全。
本发明采用大型数值仿真计算软件对下穿施工进行了三维数值模拟，揭示了下穿施工对既有顶管隧道结构变形的影响规律，建立了以数值模拟为基础、以隧道管节接缝允许张开量和结构线型允许最小附加曲率半径为控制目标的既有隧道沉降控制标准，并通过现场监测印证了数值计算预测规律的正确性和沉降控制标准制定方法的可行性。本发明对其他类似工程具有借鉴意义。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
Claims (2)
1.地铁盾构区间近距离下穿顶管隧道沉降控制标准制定方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)首先对工程勘察和设计资料进行仔细研究，选取工程关键里程段建立数值仿真计算模型，并根据勘察资料进行地层和结构参数的选取；
(2)利用大型数值仿真计算软件进行下穿隧道实际施工过程的模拟，分析既有顶管隧道变形规律并提取其各节点位移数据；
(3)依据实际工程建立既有顶管隧道的实体模型，顶管结构采用实体单元模拟，接缝位置节点采用非耦合接触，仅在顶管顶板中线位置对相应节点进行位移及转角自由度耦合，模型两端施加水平位移约束；将步骤(2)得到的既有顶管隧道各节点位移计算结果，以荷载的形式施加到新建模型相应位置节点上，假定既有结构底板变形规律不变，并按比例调整既有结构底板的附加竖向位移量来搜索既有隧道结构接头达到最大允许张开量时所对应的竖向允许位移值；
(4)将数值仿真计算模型分析中既有顶管隧道各节点竖向位移进行分析，拟合出随顶管隧道轴线方向变化的曲线并进行函数形式表达，利用高等数学中曲线方程与曲率半径的关系建立函数关系：
(5)查询相关规范，根据建构形式及安全状态确定结构安全控制所允许的最大接缝张开量和附加变形引起的极限曲率半径，分别代入步骤(3)和(4)中反算此时所允许的结构最大竖向位移变形值。
2.根据权利要求1所述的地铁盾构区间近距离下穿顶管隧道沉降控制标准制定方法，其特征在于：所述步骤(2)中计算软件选用FLAC3D、ANSYS、ABAQUS，其根据工程特点及计算分析者具体情况选择计算软件。
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