摘 要 研究 了在既有隧道上方修建轻轨车站的方案。采用荷载2结构模型及连续体模型对轻轨车站进行了力学 计算 分析 ,确定了方案的可行性。对轻轨车站实施过程中有关既有隧道的保护以及轻轨车站的设计和施工提出了切实可行的措施。
关键词 既有隧道,隧道保护,轻轨车站,施工设计,施工监控
1 工程概况
1. 1 既有隧道概况
某轻轨车站座落于一条长128 m 的隧道上方。该隧道为双洞双向四车道城市道路隧道,单洞隧道宽
图1 Ⅲ 类围岩衬砌断面
图2 Ⅳ 类围岩衬砌断面
1. 2 轻轨车站概况
图3 车站建筑横剖面图
1. 3 工程地质及水文地质 隧道区地貌为构造剥蚀丘陵地貌,丘顶呈脊状东西向延伸,地表水排泄条件好。隧道区表层土薄, 下伏岩层为砂质泥岩,其隔水性好,节理不发育,无地下水运移、储存空间。强风化层薄,岩基面陡,地表水渗入地下很快顺岩面排出,在土层及风化层中局部可形成上层滞水。上层滞水受季节性 影响 大, 久旱干枯。水文地质条件简单,地下水量极其微弱。
2 数值计算分析
在结构静力计算分析中,采用两种力学模型对轻轨车站建成后的状况进行力学分析。
2. 1 荷载—结构模型
假设衬砌为弹性梁,梁的变形为小变形。将衬砌离散为多个等厚直杆单元,计算中计及基底不均匀沉陷的影响,用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与衬砌间的相互约束。假定弹簧不承受拉力,即不计围岩与衬砌间的粘结力,弹簧受压时的反力Ri 即为围岩对衬砌的弹性抗力Ri = kiXi (式中i 为节点码; Xi 为弹簧的压缩位移; ki 为弹簧的弹性系数, Ri = Klib , 其中K 为围岩弹性抗力系数, li 为抗力作用范围, b 为结构纵向计算宽度) 。
按浅埋隧道计算隧道衬砌所受的荷载:
垂直压力q =γh 式中:γ为围岩重度,kN/ m3 ; h 为洞顶至地面高度, m。
水平压力Ei =γhi
λ tgβ-tg<g
其中λ= tgβ[1 + tg βtg<g]
tgβ= tg<g + tg2 <g + 1 式中:λ为侧压力系数; <g 为围岩计算摩擦角;β为产生最大推力时的破裂角; hi 为任意点至地面的距离m。
结构计算时计及衬砌自重。拟建轻轨车站及已建地面建筑物作为地面超载作用于地面。边墙基础弹性固定,只产生竖向和转角位移,而不产生水平位移。分析时将基底水平方向给以刚性约束,竖向和转角方向用弹性支座单元给以弹性约束。结构计算模型见图4 。计算得到的衬砌断面弯矩和轴力图分别见图5 、6 。按现行隧道规范判定砼衬砌结构的强度安全系数满足要求。
图4 荷载—结构计算模型
图5 衬砌断面弯矩图
2. 2 连续体模型
为了更好地发挥和利用围岩的自承作用,将围岩与支护衬砌视作统一的承载结构共同进行 分析 。把围岩和支护衬砌当作一个联合体系来考虑,为半无限平面应变 问题 。 计算 边界上部取至地表,左右两侧及隧道底部取至5 倍洞径之外,采用四边形等参元划分计算网格。其力学计算模型见图7 。
图6 衬砌断面轴力图
图7 连续体计算模型
计算中假定岩体及衬砌是各向同性的连续介质。计算模型为弹性模型。围岩体及支护衬砌结构物理力学计算参数见表1 。拟建轻轨车站及已建地面建筑物作为地面超载作用于地面.
表1 围岩体及支护衬砌结构物理力学计算参数
由计算结果可知:
(3) 轻轨车站施工过程中,运营隧道洞体及洞行塑性屈服判定,围岩体内未出现压剪塑性区; 2. 3 结构计算模式的讨论
(2) 隧道衬砌的边墙及墙脚处为受力较不利区在已建浅埋隧道上方修建轻轨车站,作用于隧域,隧道基底围岩局部出现拉应力,但其值均在抗拉道结构上的围岩压力不可能出现推导浅埋荷载公式强度范围之内; 时的破裂面,因此用于浅埋隧道围岩压力的计算公式的适用性是值得商榷的。为安全计,作用于隧道衬砌结构上的垂直压力采用上覆岩层的全部重力, 并视为均匀分布。本工程在已建隧道上方修建的轻轨车站,其荷载视为加载,它不同于新建隧道的开挖、衬砌过程,其围岩压力应为围岩自重应力场、地面建筑物荷载和轻轨车站荷载的应力叠加。荷载结构模型和连续体模型相比,后者计算结果更符合结构的实际受力过程。
3 设计与施工措施
(1) 隧道上方上覆岩层的开挖宜采用浅层控制爆破和光面爆破技术,降低对既有隧道衬砌、围岩以及周围建筑物的扰动。在爆破作业时,为使产生的振动不致破坏既有隧道及地面建筑物,应对爆破引起的既有隧道衬砌周围建筑物的振动速度分别进行量测比较,并据此确定爆破规模,慎重选择钻爆参数,加强施工管理。
(3) 开挖中应随时检查边仰坡,如有滑动、开裂等现象,应适当放缓坡度,保证边仰坡稳定和施工安全。
(4) 基坑开挖应水平成层开挖,避免造成隧道的偏压现象。坡角与基坑底连接处应平顺开挖,避免引起应力集中。在建筑布局上,要尽量使车站基础置于同一标高处,以简化设计,方便施工,减少支护工作量,降低工程造价。
(5) 做好地表水的引排设施,排除积水。
4 监控量测 依靠振动量测来监控爆破对隧道衬砌及地面建筑物的扰动和破坏情况。爆破振动量测用振动速度、加速度等判断。不同的建筑物允许的振动速度不同,应符合国家标准《爆破安全规程》有关规定。
参考 文献
1 铁二院主编. 铁路工程设计技术手册·隧道. 北京: 中国 铁道出版社,1995
2 罗衍俭. 大型地下交叉洞群的围岩稳定性分析. 西部探矿工程, 1997
(6) :59～61
