一种砂卵石地层隧道下穿既有铁路变形影响分析方法技术

本发明专利技术公开了一种砂卵石地层隧道下穿既有铁路变形影响分析方法，本方法通过结合强度折减数值计算模型得到的隧道整体安全系数、塌落拱数值计算模型得到的后建隧道的开挖对先建隧道影响安全系数以及精细化三维数值计算模型得到的围岩变形与近接既有铁路与桥台的结构变形三种计算结果综合分析盾构隧道在砂卵石地层中对近接既有铁路的影响，解决了现有技术经验局限性较大的问题，并形成针对砂卵石地层中盾构隧道下穿既有铁路变形影响的成套分析方法达到节省人力物力的目的。分析方法达到节省人力物力的目的。分析方法达到节省人力物力的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种砂卵石地层隧道下穿既有铁路变形影响分析方法


[0001]本专利技术涉及隧道施工
，具体涉及一种砂卵石地层隧道下穿既有铁路变形影响分析方法。

技术介绍

[0002]砂卵石地层由于其组成成分主要为颗粒体，不均匀性较大，砂卵石地层与岩石地层具有较大物理力学差异，砂卵石地层具有明显的几何不稳定性。当盾构在砂卵石地层掘进时，易发生砂土坍塌，进一步造成周围土体不均匀沉降，严重者会产生地表坍塌等次生灾害。随着城市地铁大规模建设，砂卵石地层中盾构隧道且下穿既有铁路线路的情况逐渐增多。由于在砂卵石地层中进行盾构掘进可能造成较大地层损失，导致地表产生不均匀沉降，影响近接建/构筑物正常使用安全。
[0003]现有变形影响计算中对于砂卵地层的物理力学参数，主要依靠室内试验，对于砂卵石的级配与物理力学参数有较大的敏感性，现有工程经验局限性较大。此外，现有技术主要针对无近接工况，盾构隧道在砂卵石中下穿既有铁路线路的工程案例仍有限，尚未形成针对砂卵石地层中盾构隧道下穿既有铁路变形影响的成套分析方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种砂卵石地层隧道下穿既有铁路变形影响分析方法，该方法结合强度折减数值计算模型、塌落拱数值计算模型与精细化三维数值计算模型三种模型综合分析盾构隧道在砂卵石地层中对近接既有铁路的影响，形成针对砂卵石地层中盾构隧道下穿既有铁路变形影响的成套分析方法。
[0005]为达到上述技术目的，本专利技术通过下述技术方案实现：
[0006]一种砂卵石地层隧道下穿既有铁路变形影响分析方法，包括如下步骤：
[0007]S1.建立基于强度折减法的二维数值计算模型对毛洞状态下地铁盾构隧道以及出入场线隧道进行分析，获取隧道整体安全系数；
[0008]S2.通过有限元软件ABAQUS建立隧道潜在坍塌二维数值计算模型，获取在后建隧道开挖不破坏先建隧道上方围岩自身形成的承载拱的情况下，后建隧道的开挖对先建隧道影响安全系数；
[0009]S3.通过FLAC3D有限元软件建立精细化三维数值计算模型，对施工方法、施工工序、施工速度、支护参数、支护时间以及结构的安全性进行对比分析，计算得出围岩变形与近接既有铁路与桥台的结构变形；
[0010]S4.对步骤S1获取的隧道整体安全系数、步骤S2获取的后建隧道的开挖对先建隧道影响安全系数以及步骤S3中所获取的围岩变形与近接既有铁路与桥台的结构变形通过与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，若全部满足则合理。
[0011]进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：
[0012]S11.在所述模型中建立盾构隧道、矿山法暗挖隧道、铁路桥与铁路股道；
[0013]S12.施做既有铁路桥、股道以及施加列车荷载，通过所述计算模型进行强度折减计算安全系数；
[0014]S13.开挖盾构左线隧道，通过所述计算模型进行强度折减计算安全系数；
[0015]S14.开挖盾构右线隧道，通过所述计算模型进行强度折减计算安全系数；
[0016]S15.一次开挖出入场线暗挖隧道，通过所述计算模型进行强度折减计算安全系数；
[0017]S16.对步骤S12至S15中所获取的安全系数进行比较，得到砂卵石地层隧道下穿既有铁路的整体安全系数。
[0018]进一步地，所述步骤S1中的安全系数w按如下公式计算：
[0019][0020]式中：c、c
′
—分别为初始粘聚力和极限粘聚力；
[0021]—分别为初始内摩擦角和极限内摩擦角修正值。
[0022]进一步地，所述步骤S2中的安全系数分析还需根据不同围岩压力释放率下隧道开挖对既有铁路股道的影响进行修正；
[0023]所述开挖过程通过全断面开挖方式进行模拟，用以分析矿山法隧道开挖时不同围岩压力释放率对既有铁路股道的影响；
[0024]所述围岩压力通过施加洞周径向反力的方式模拟以及通过控制反向力的大小来控制围岩压力释放率。
[0025]进一步地，所述步骤S2依据隧道断面大小、围岩级别与埋深假定塌落拱高度，建立隧道潜在坍塌二维数值计算模型，并计算盾构隧道结构内力以及盾构隧道管片安全系数。
[0026]进一步地，所述隧道埋深的判定根据荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定，判定公式如下：
[0027]H
p
＝(2～2.5)h
q
[0028]式中：
Hp
——浅埋隧道分界深度(m)；
[0029]h
q
——荷载等效高度(m)，h
q
＝0.45
×2s
‑1ω；
[0030]s——围岩级别；
[0031]ω——宽度影响系数，ω＝1+i(B
‑
5)；
[0032]B——隧道最大开挖跨度，应考虑超挖影响(m)；
[0033]i——B每增减1m时的围岩压力增减率，当B＜5m时取i＝0.2；当B＞5m时取i＝0.1。
[0034]进一步地，所述隧道潜在坍塌二维数值计算模型包括以下计算步骤：
[0035]S21.施做既有铁路桥及股道，将对应钢筋混凝土参数赋予铁路桥与股道所在单元；
[0036]S22.施加列车荷载于铁路桥与铁路股道；
[0037]S23.将盾构左线隧道上方坍落拱范围内的单元赋以弱化后的计算参数，并施做盾构隧道管片，将盾构隧道管片单元施加弹性模型，并赋予钢筋混凝土参数；
[0038]S24.将盾构右线隧道上方坍落拱范围内的单元赋以弱化后的计算参数，并施做盾构隧道管片，将盾构隧道管片单元施加弹性模型，并赋予钢筋混凝土参数；
[0039]S25.开挖上方出入场线铁隧道并对施工隧道初期支护与二次衬砌赋值上方坍落
范围计算参数；
[0040]S26.通过隧道潜在坍塌二维数值计算模型，计算盾构隧道结构内力以及盾构隧道管片安全系数。
[0041]进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：
[0042]S31.建立模型及边界条件，然后模拟隧道埋深及隧道开挖；
[0043]S32.通过步骤S31的三维数值计算模型计算盾构隧道与出入场线(暗挖)隧道开挖后既有铁路桥最大沉降、出入场线隧道围岩压力不同释放率时股道的沉降与10m弦测高低差以及按照核心土台阶法施工时，随着掌子面向铁路股道推进，股道沉降与线路轨道10m弦测量的高低偏。
[0044]进一步地，所述精细化三维数值计算模型取值范围根据实际工程情况沿纵向取、沿横向以及隧道仰拱下方取值，所述精细化三维数值计算模型的前后及左右方向受水平约束，垂直方向底面受竖向约束，顶面为自由边界。
[0045]进一步地，所述模拟隧道埋深及隧道开挖中的地层及初期支护用弹塑性实体单元模拟，管棚及超前小导管用弹性实体单元模拟，二次衬砌用弹性实体单元模拟。
[0046]本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种砂卵石地层隧道下穿既有铁路变形影响分析方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.建立基于强度折减法的二维数值计算模型对毛洞状态下地铁盾构隧道以及出入场线隧道进行分析，获取隧道整体安全系数；S2.通过有限元软件ABAQUS建立隧道潜在坍塌二维数值计算模型，获取在后建隧道开挖不破坏先建隧道上方围岩自身形成的承载拱的情况下，后建隧道的开挖对先建隧道影响安全系数；S3.通过FLAC3D有限元软件建立精细化三维数值计算模型，对施工方法、施工工序、施工速度、支护参数、支护时间以及结构的安全性进行对比分析，计算得出围岩变形与近接既有铁路与桥台的结构变形；S4.对步骤S1获取的隧道整体安全系数、步骤S2获取的后建隧道的开挖对先建隧道影响安全系数以及步骤S3中所获取的围岩变形与近接既有铁路与桥台的结构变形通过与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，若全部满足则合理。2.根据权利要求1所述的一种砂卵石地层隧道下穿既有铁路变形影响分析方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括以下步骤：S11.在所述模型中建立盾构隧道、矿山法暗挖隧道、铁路桥与铁路股道；S12.施做既有铁路桥、股道以及施加列车荷载，通过所述计算模型进行强度折减计算安全系数；S13.开挖盾构左线隧道，通过所述计算模型进行强度折减计算安全系数；S14.开挖盾构右线隧道，通过所述计算模型进行强度折减计算安全系数；S15.一次开挖出入场线暗挖隧道，通过所述计算模型进行强度折减计算安全系数；S16.对步骤S12至S15中所获取的安全系数进行比较，得到砂卵石地层隧道下穿既有铁路的整体安全系数。3.根据权利要求2所述的一种砂卵石地层隧道下穿既有铁路变形影响分析方法，其特征在于，所述步骤S1中的安全系数w按如下公式计算：式中：c、c
′
—分别为初始粘聚力和极限粘聚力；—分别为初始内摩擦角和极限内摩擦角修正值。4.根据权利要求1所述的一种砂卵石地层隧道下穿既有铁路变形影响分析方法，其特征在于，所述步骤S2中的安全系数分析还需根据不同围岩压力释放率下隧道开挖对既有铁路股道的影响进行修正；所述开挖过程通过全断面开挖方式进行模拟，用以分析矿山法隧道开挖时不同围岩压力释放率对既有铁路股道的影响；所述围岩压力通过施加洞周径向反力的方式模拟以及通过控制反向力的大小来控制围岩压力释放率。5.根据权利要求1所述的一种砂卵石地层隧道下穿既有铁路变形影响分析方法，其特征在于，所述步骤S2依据隧道断面大小、围岩级别与埋深假定塌落拱高度，并计算盾构隧道结构内力以及盾构隧道管片安全系数。6.根据权利要求5所述的一种砂卵石地层隧道下穿既有铁路变形影响分析方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈炜韬，赵晓峰，王建，周军，聂大丰，刘青松，张子晗，韩磊，杨延景，陈兴望，
申请(专利权)人：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：