大断面超小横净距双线地铁隧道施工控制技术研究

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随着城市的不断发展和扩大,城市地下空间被各种既有管线、构筑物(桥梁、建筑)基础、已有地铁等占用,新规划的地铁隧道经常出现两条(或多条)并行、净距小开挖断面又很大的情况。与此同时,施工范围内存在多条断层、地层条件差、地下水丰富复杂等多种不利因素,增加新建双线(多线)隧道施工难度。本文结合长沙地铁2号线的以上特点,参考国内外已有经验,通过数值模拟、现场监测、理论分析,对小净距、双线大断面并行隧道进行关键技术研究,提出了改进的双侧壁导坑施工法,对导坑内撑拆除和二衬时机进行了优化;对比分析了双线隧道大小断面开挖先后顺序、中岩墙加固与否、大断面不同开挖方法以及相邻隧道不同间距等条件下中岩墙稳定性;在围岩稳定与变形监测成果的基础上,对岩柱水平位移、钢拱架应变及内力回归分析,得到较为实用的预测公式。为城市轨道工程、山体隧道工程、地下硐室等掩埋结构物施工提供一定的理论基础和实践经验。本文具体工作和研究内容如下:1.小净距、大断面双线地铁隧道的关键技术问题研究(1)根据项目设计的实际情况,对施工风险进行了分析,并提出了控制措施。在总体施工方案确定的基础上,利用FLAC3D软件对大断面、小净距双线隧道暗挖施工数值模拟,分析了双侧壁导坑(九步、六步)、CRD法三种施工方法的力学行为,提出了六步双侧壁导坑施工方法,优化了施工方案。(2)在双侧壁六步导坑法大断面暗挖施工方案基础上,利用MIDAS软件对双侧壁导坑施工步序、内撑拆除和二衬时机优化方面进行了模拟分析。在步序优化方面,提出了改进的六步导坑法,与目前已有的施工方法相比,本施工方法因先把上部分全部开挖完后再开挖下部分,施工工作面增大,对施工工期的缩短和各施工工序及施工工种的协调施工均有很大优势。可为城市轨道工程、山体隧道工程、地下硐室等掩埋结构物施工提供参考。在拆除导坑内撑和二衬时机优化方面,通过对比拆除支撑前后维护结构的位移及内力对比分析,发现拆除临时支撑时,拱顶位移变化较大,初衬结构的弯矩变化较大,增加很快。当二衬施做完成后,支护结构内力变化幅度减小,结构基本趋于稳定。如果一次性拆除临时支撑且二衬不能及时施做,考虑到释放应力的时间效应,拱顶竖向位移将进一步增大。建议拆除临时支撑时,进行分块、分幅拆除,以减小拱顶沉降和释放应力时间效应带来的不安全因素。如果能保证二衬及时跟进,按照拆除临时支撑和二衬施做间距12m方案,可以满足施工安全要求。2.小净距、大断面双线隧道中岩墙稳定性分析(1)通过对多种工况的施工模拟分析,在开挖大小断面顺序方面,对超小净距双线隧道,应先开挖小断面隧道,后开挖大断面隧道,以减少先开挖大断面隧道影响围岩应力变化较大的区域,从而一定程度的影响了单线隧道开挖土体区域。并且开挖小断面隧道也可通过小洞径的开挖确定设计支护是否合理,地质勘查结果是否准确,为后续开挖大洞径隧道提供参考。(2)对是否进行中岩墙加固进行了模拟分析,对于岩墙,当两个洞室的净距很小,岩墙加固与否对其稳定性影响较大,一般采用的加固措施包括注浆加固和两侧采用对拉锚杆,其中通过大量的现场实例和数值计算分析可知,对拉锚杆对岩墙的稳定十分重要。(3)对双线隧道不同开挖方法进行了模拟分析,大断面按照双侧壁导坑施工方法对中岩墙稳定性优于CRD法,且可保证围岩的稳定性,引起中岩墙变形和塑性区也在规范允许范围内,能保证工程的安全施工。(4)对并行隧道不同的净距情况模拟分析,当净距小于1.0D时,岩墙的净距越小,并行隧道开挖所产生的土体位移、应力和塑性区越大,故对于超小净距隧道,对于岩墙采取注浆加固的措施,并施做对拉锚杆,建议隧道硐室采用多部开挖,边开挖边支护的措施,开挖一步支护一步,防止由于土体释放应力过大从而导致岩墙的失稳破坏。3.车站暗挖区间围岩稳定与变形监测及回归分析对车站暗挖区间进行了围岩稳定与变形监测,对监测成果进行了分析整理。通过对实测双线隧道开挖施工沉降、变形、应力监测结果的回归分析,得到了开挖引起中岩柱水平位移、钢拱架应变、内力的变化规律:(1)对于CRD工法,岩柱水平位移与时间呈多次抛物线变化,距离单洞洞口距离越近,抛物线次数越高,反之,距离单洞洞口距离越远,抛物线次数越低。(2)对于暗挖双侧壁六步导坑-B法施工,钢拱架拱顶、仰拱部位应变与时间符合4次抛物线变化规律。(3)钢拱架拱顶、仰拱部位弯矩与时间呈2次抛物线变化规律。(4)仰拱轴力与时间呈3次抛物线变化规律(5)拱顶轴力与时间呈直线变化
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