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MIDAS-GTS在隧道和地铁工程中的应用


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We Analyze and DesignIT Co., Ltd. MIDAS the Future

GTS在隧道及地铁工程中的应用

崔艺斌 广州市建筑科学研究院 2008年9月23日

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报 告 内 容
一.隧道及地铁工程中的常遇问题 二.利用GTS的解决方案(应用)
(1) 隧道工程施工方法选择. (2) 隧道工程与其他工程的相互作用分析.

三. 隧道工程中若干局部细节计算的考虑方法.(局部)

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一、隧道及地铁工程中的常遇问题

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1 施工工况的优化和选择(针对隧道本身) 工程经验不足 隧道洞口偏压 双/三联拱隧道 大断面 浅埋暗挖隧道 小净距隧道(主)考虑掘进长度的三维分析等 (结合苏州凤凰山双联拱隧道工程)

2 隧道及地下工程开挖对已有建筑设施的影响 (结合深圳地铁5号线某桩基托换工程)

3 新建地下工程对已建地下工程的影响评价 (结合广佛地铁二、八线沙园地铁车站及曲线盾构隧道相邻 筑深基坑开挖工程)



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二、利用GTS的解决方案(应用)

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1 施工工况的优化和选择(针对隧道本身)
(结合凤凰山双联拱隧道工程)

苏州凤凰山隧道工程位于苏州市吴中区木渎镇境内,属宝带西路延 伸段改建工程的一部分,穿越七子山西北侧凤凰公墓区,隧址区为一小山 体。苏州凤凰山隧道工程分一期和二期工程进行建设。凤凰山隧道一期 工程为一座连拱隧道。 凤凰山隧道一期工程连拱隧道全长175m,起讫桩号分别为K1+985 和K2+160,其中明暗洞分界桩号为K2+001及K2+144,暗洞段长143m, 属短隧道。隧道最大埋深23m,埋深小于10m的暗洞长度占整个暗洞的 比例约为34%,属典型浅埋隧道。根据地质报告,隧址区地质条件较差, 基本为Ⅴ级围岩,隧道最大开挖跨度32.2m,属软弱围岩大跨隧道。因 此,凤凰山连拱隧道属软弱围岩中浅埋大跨隧道,施工具有较大难度。

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(1)基于荷载-结构法的隧道结构静力计算分析

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图1-1 二次衬砌的侧向变形图

图1-2 二次衬砌的竖向变形图

图1-3 二次衬砌轴力图

图1-4 二次衬砌弯矩图

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(2)基于地层-结构法的隧道结构静力计算分析
凤凰山连拱隧道毛洞跨度达到32.2m,且存在一定的偏压现象, 以前类似的工程较少,可以借鉴的经验不多,给设计带来了较大的困
难,因此应对其进行相关计算,对设计进行校核。

图2-1 联拱隧道整体模型

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图2-2 联拱隧道局部模型

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图2-3 中导洞开挖后的地层竖向位移图

图2-4 左洞开挖后的地层竖向位移图

图2-5 右洞开挖后的地层竖向位移图

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图2-6 围岩塑性拉应力区图

图2-7 围岩塑性压应力区图

图2-8 中隔墙最大压应力图

图2-9 中隔墙最大拉应力图

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图2-10 导洞法开挖临时支护和初支部分内力图

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图2-11 二次支护结构轴力与弯矩图

图2-12 二次支护组合应力图

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小结:
在地下工程缺乏相应工程经验或者需要进行方 案选择的时候,利用数值计算软件,可以对工程有初步 和定性的认识,为工程设计提供重要参考。

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2 隧道及地下工程开挖对已有建筑设施的影响
(结合深圳地铁5号线某桩基托换工程)

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说明:
1,该工程为国内铁道第三设计院与韩国某工程咨询合作,利用 GTS所做的一个深圳地铁5号线的桩基托换工程。 2,计算主要考虑两点: (1)由于盾构隧道穿过桩基础,因此需要对原桩基础进行托换, 考察托换后对原有上部结构的影响。 (2)在托换以后地铁盾构将穿越桩基,计算模拟地铁掘进穿越 桩基整个过程中,桩基所受到的侧向土压力的影响以及由此造成的 上部结构的反应。

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新建地下工程对已建地下工程的影响评价
本工程地块位于广州市海珠区工业大道北十一橡胶厂内。地下室形状 为一不规则多边形,东侧是工业大道,其规划道路红线为40米;场地东南 侧临近已完成主体结构施工的沙园地铁站,东北侧临近广佛线地铁隧道。 南侧是榕景路,其规划道路红线为26米;西侧与26米规划路相接;北侧与 规划路相接。 该工程基坑部分及地铁风亭部分由广州市建筑科学研究院设计,期间 考虑到对地铁的保护,需要对基坑开挖对地铁及附属结构所造成的影响做 出整体评价,因此对该工程进行了整体数值计算,并结合大量工程实际经 验作出合理设计。 工程现状:目前地铁车站已经施工完成,由于盾构隧道的工期与基坑 工期先后不能确定,因此计算一并考虑了盾构隧道。

(结合广佛地铁二、八线沙园地铁车站及曲线盾构隧道相邻建筑深 基坑开挖工程)

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9 .8

H
1 0. 35 9 .6 7 . 80

7 . 36

9 .6 1 4. 89 9 .6

1 4. 10

G I
8 . 08

J
7 . 80

K
1 4. 89

7 . 48

工 程 总 体 平 面 图
7 . 75

L

1 5. 19

1 4. 89

F M
7 . 42

1 4. 88

8 . 08

7 . 48

E N
7 . 80 8 . 28

1 4. 75

1 4. 35

1 0. 60 1 0. 23

P

1 4. 58 1 4. 59 1 0. 86

1 4. 30

D Q C

工 期

1 4. 04

1 3. 40

A
1 3. 56

1 4. 00

1 3. 40 1 2. 08

B
1 2. 48

1 3. 56

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工 程 所 有 结 构 位 置 关 系 图

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新建基坑与地铁盾构隧道、地铁车站的数值计算部分

整 体 模 型 网 格

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计算目的:
由于基坑在车站及盾构隧道左侧开挖造成重大卸载,因此需 要由此对地铁设施所造成的影响: (1)地铁车站与盾构隧道连接处与基坑挖通,卸载最大,应 充分考虑车站右侧土压力对现有车站结构的不利影响a

(2)曲线盾构隧道段沿基坑东南侧整体卸载,土体回弹将使 盾构隧道向基坑侧移动,需要对其影响进行整体评价。
(3)考虑到盾构井距离基坑很近,因此需要考虑对盾构井的 影响

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图3-1

整体X方向位移图

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图3-2

整体Y向位移图

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图3-3

整体Z向位移图

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图3-4

结构单元内力图

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计 算 结 果

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车 站 右 侧 水 平 位 移

车 站 左 侧 水 平 位 移

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结论1:
通过整体数值计算分析,地铁车站在一侧重大卸载的情况下,开 挖近侧发生向基坑侧的位移,即车站与隧道连接处整体向基坑侧移动, 车站尾部(远离基坑侧向远离基坑移动),根据经验和以往学术论文, 在此位移下基坑开挖对车站影响较小。

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结论2:
由于曲线盾构隧道沿着基坑布置,因此基坑开挖对隧道影响较大, 且隧道衬砌(板单元)表面应力较大,内力也较大,考虑到安全性设计 中采用在隧道部分留土保护。

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结论3:
考虑到盾构井较小,且支护刚度较大,经计算位移较小,基坑开 挖对其影响不大,但考虑到盾构井与隧道连接处属于应力集中部位,因 此在也做留土处理。

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三、隧道及地铁工程中细部计算模拟的几点方法 (研究 高校)

1,公路隧道初支与二次支护作用模拟 2,盾构隧道管片连接

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1,公路铁路隧道中关于初支和二次支护的模拟 主要有以下几种方法: (1)考察支护结构的应力状况;通常采用平面应变(或者实体单 元)来模拟初支和二次支护,可以得到准确的应力应变结果。 (2)考察支护结构的内力用于配筋计算; 通常采用梁单元来模拟 二次支护,初支可以采用梁单元,也可以采用平面应变单元,但多 采用平面应变单元。

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1,公路铁路隧道中关于初支和二次支护的模拟

初支和二次支护的连接方法:
(3)目前尚不能合理的模拟初支与二次支护之间的预留变形缝, 在建立模型的时候一般不考虑。 (4)如果采用荷载结构法研究初支和二次支护结构之间的作用, 可以采用仅受压弹簧来模拟(该方法目前只能用于一次计算中) (5)如果采用实体单元来模拟初支和二次支护,可以采用设置接 触单元的方法来模拟初支和二次支护之间的作用,对接触单元的参 数做适当的调整和选择。

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2,地铁隧道中,盾构管片之间的连接

(1)管片与管片之间采用铰连接,管片与管片纵向之间不考虑。
(释放掉管片与管片连接处的转动自由度)

(2)管片与管片之间采用弱化单元连接。 (考虑管片与管片之间的弯矩传递)
(3)管片与管片之间采用弹簧连接。

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结论
一、 随着城市地下工程的迅速发展,以往完全依靠经验来进行地下工程 设计并不能完全满足实际需要,特别是地下工程之间的相互影响评价,如: 交叉盾构隧道,交叠隧道,相邻隧道的施工工序以及本报告中所提到的实 际工程,有些是没有以往经验的,因此借助于数值计算方法,可以为工程 设计提供参考和定性的分析判断,服务于设计。
二、在工程中,可以利用数值计算软件局部结构的受力,应力应变等问题 来考察,这一点区别于上面提到的整体分析,用于科研和研究。 三、“以人为本”——数值计算方法的准确程度取决于理论研究的进展, 作为一种工具,工程技术人员可以在适当的范围内结合自己的工程经验, 利用它服务于工程设计。

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谢!

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