折返线区间群洞效应分析与施工优化
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摘要:针对北京地铁5号线折返线区间典型断面群洞效应进行有限元分析,比较了不同开挖情况下洞室的有效应力和地面沉降,得出较为合理和快捷可行的施工方案。
关键词:折返线区间;群洞效应;施工优化
Group-effect and Construction Optimization of Turn Back Line
MA Haiyan xiexiaoting
(Beijing urban & rural construction group, 100054)
Abstract: Using finite element, this paper analyzing the turn back line typical section Group-effect of the Beijing Subway Line 5, comparing the effective stress and land subsidence when there was in different excavation, and getting more reasonable and feasible construction plan.
Key words: Turn back line; Group-effect; Construction optimization.
1 前言
随着北京市地铁路网建设的不断进行,新建隧道与已建隧道之间,新建隧道多条线路之间存在互相影响的问题,群洞效应突出,因此必须合理组织主体群洞结构的总体施工顺序,控制群洞效应引起的地面沉降,才能加快施工进度,确保地下管线及周边建筑物的安全。
2 工程概况
本文以北京地铁5号线折返线区间为工程背景。折返线区间具有双向折返及停车功能,结构断面变化形式多样,共计有12种断面形式,其中断面开挖高度标准断面最小为6.28m,10-10断面最大高度为10.3m;开挖跨度标准断面最小为5.8m,10-10断面最大达到23.2m,折返线施工各种断面转换28次,折返线区间平面布置图如图1所示。
3 群洞效应分析
在折返线区间施工中,对于独立的洞室断面,CRD工法、侧壁导洞法等都存在导洞开挖之间的相互影响;对于大断面洞室与标准断面洞室共同存在的断面而言,由于相邻洞室的开挖会对已开挖洞室造成影响,这种影响统称为群洞效应。
对于主体结构施工,首先而又关键的就是确定大断面洞室与侧洞的施工顺序,施工顺序不同,由此产生的时空效应、群洞效应也不同,因此会对结构的施工和安全产生很大影响[1]。
对大断面洞室而言,在本工程中即6-6断面、5-5断面等,标准断面即侧洞的开挖是对大断面洞室拱脚抗力卸载的过程;对侧洞而言,大断面洞室的开挖支护会在其拱部一侧产生较大的偏压,同时在大断面洞室开挖的过程中会释放侧洞边墙的部分被动土压力而加大侧墙的变形[1]。因此如何控制、减小在施工过程中群洞效应的影响,是多洞室隧道开挖中必须面临和解决的难题。本文以折返线区间5-5与标准断面为例,通过数值模拟的方法,分析比较了在多洞室隧道开挖过程中,大洞室先行和小洞室先行的优缺点。
4 数值模拟分析
通过MIDAS/Civil建立有限元模型,对5-5与标准断面进行了三个状态的数值模拟,a:大洞室5-5先行下的施工效应,b:侧洞先行下的施工效应,c:大洞室与侧洞均已开挖完成的施工效应,下面分别对上述三个状态的受力和位移进行分析计算。5-5与侧洞断面计算模型如图2所示,大断面洞室与侧洞之间土体宽度约为2～4.5m。
4.1大洞室5-5先行下的施工效应
合理组织各洞室的施工步序,充分利用地层的时间、空间效应,降低施工的相互影响,在大洞室5-5与侧洞断面的施工中,大洞室的施工起主要控制作用。大洞室5-5先行即先进入大洞室5-5导洞的初支施工,待大洞室初支进深达到10m后开始侧洞初支施工,各工序之间步距均应大于10m。
(1)有效应力
经过模型建立、分析计算得有效应力如图3所示,有效应力最大值处于拱脚部位。
(2)地面沉降值
5-5洞室顶部地面沉降值:DZ=20.6319mm
侧洞顶部地面沉降值:DZ=20.1901mm
4.2侧洞先行下的施工效应
大洞室先行,为平衡大洞室拱脚的水平推力,应在大洞室内施做一道水平钢拉杆,但预应力施加难度较大,为减低施工难度,加快施工进度,采用侧洞先行的施工方法组织施工[1]。侧洞先行,对大洞室拱部初支而言,增大了上部土体的破裂范围,为减小大洞室初支施工的难度,在侧洞先行后,采用注浆加固的办法加固侧洞与大洞室之间的土体。
(1)大洞室与侧洞之间土体加固技术
大洞室与侧洞之间距离为2～4.5m,为了减小各导洞开挖对地层的扰动,提高土体自稳能力,改善结构整体受力性能,对洞室之间的土体进行径向加固注浆,见图4注浆加固图中阴影部分,注浆工艺采用后退式分段注浆(抽管分段设止浆塞)。侧洞开挖对土体进行加固,大洞室开挖时对剩余土体加固。
(2)有效应力
经过模型建立、分析计算得有效应力如图5所示。
(3)地面沉降值
5-5洞室顶部地面沉降值:DZ=19.9818mm
侧洞部地面沉降值:DZ=19.9526mm
4.3大洞室与侧洞均已开挖完成
大洞室与侧洞均已开挖完成后,有效应力与地面沉降如下:
(1)有效应力
(2)地面沉降值
5-5洞室顶部地面沉降值:DZ=20.4579mm
侧洞部地面沉降值:DZ=19.957mm
4.4分析比较
(1)有效应力最大值均位于大洞室拱脚部位,通过有效应力
图中最大值的比较可以看出,大洞室先行下的最大值比大洞室与侧洞均以开挖完成下的有效应力最大值大,因此采用侧洞先行的施工方法比较合理。
(2)通过地面沉降值的比较可以看出,大洞室先行下的地面沉降值均比大洞室与侧洞开挖完成后的地面沉降值要大,因此采用侧洞先行,大洞室开挖过程中,拱顶及地表沉降均在合理的变化范围内。
基于以上两方面原因,且考虑合理利用人力资源和机械设备,采用侧洞先行的施工方法组织施工较为合理。
5 结语
群洞效应随施工工况有很大不同,本文结论仅适用于大洞室与侧洞开挖的情况。在不同的施工工况中,如何降低群洞效应的影响,加快施工进度,还有待更深入的研究。
参考文献:
[1]吕波,分离岛式地铁车站群洞效应分析与施工优化,铁路建设,2006年12期
[2]李围,隧道及地下工程ANSYS实例分析,中国水利水电出版社(北京),2008年1月,33～70
作者简介:
马海燕(1981-),女,硕士研究生,2007年毕业于西安建筑科技大学土木工程学院桥梁与隧道工程专业,现主要从事地下工程方面的研究,菜户营东街乙363号北京城乡建设集团紫荆市政分公司,100054.
谢校亭(1978-)男,工程师,市政公用工程专业,菜户营东街乙363号北京城乡建设集团紫荆市政分公司,100054