盾构法与明挖法结合修建地铁车站施工方案研究_图文

1、西南交通大学硕士学位论文盾构法与明挖法结合修建地铁车站施工方案研究 姓名:蒋利明申请学位级别:硕士专业:桥梁与隧道工程指导教师:周晓军20100501西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页 摘 要盾构施工法以其施工对环境影响小、安全快速及适用范围广等特点,已经成为我 国城市地下铁道修建中非常重要的施工方法。然而在实际的地铁建设中,由于地铁车 站之间的间距较小,盾构法修建区间隧道的长度较短,施工工期较短,就不可避免地 出现盾构区间分散、盾构设备利用率偏低的现象,从而增大工程成本。结合盾构法扩 挖修建地铁车站能做到通过盾构机的长距离应用而产生规模效益解决上述问题,从总 体上较大幅度地降低工程造价。

2、为此,本文提出了在已建成的盾构隧道基础上,结合 明挖法修建地铁车站的施工方案。本文在综合分析国外采用盾构法修建地铁车站的各种施工方法的基础上,以成都 地铁l号线孵化园车站地质情况作为数值分析背景,进行了盾构法结合明挖法修建地 铁车站的施工方案研究。研究内容如下:(1通过分析国内外工程实例,拟定地铁车站结构方案及尺寸,在此基础上对盾 构隧道管片进行了管片分块设计;(2采用数值模拟的方法对扩挖施工过程中地下连续墙的入土深度以及各辅助施 工措施进行了研究,得出了地下连续墙的合理入土深度以及各辅助施工措施对扩挖施 工的影响规律;(3对拟定的各施工方案进行二维数值模拟分析,得出了合理的施工方案。并在 此

3、施工方案的基础上采用三维数值模拟的方法对施工过程中的力学行为进行研究。关键词:盾构法;明挖法;地铁车站;数值模拟西南交通大学硕士研究生学位论文 第|页AbstractThe distinguishing features of shield drvien method such as its small impact on the environment;safe and fast;and applicable to a wide range of situations,make it become the very important method of urban underground

4、railway construction.However,in the actual subway construction,due to the short distance between the subway station,the tunnel constructed by the shield method is shorter in the length with the shorter construction period.Inevitably,the phenomenon like shield interval dispersion and low utilization

5、rate of shield equipment would increase the cost of the project.Combined shield method to expand excavation with the construction of subway station could generate economies of scale to solve above problems by the longdistance applications of the shield machine.Then the proj ect cost Can be substanti

6、ally reduced in general.To this end,this thesis proposes a construction program based on the developed shield tunnel with combination of cut and COVer method of construction of subway station.Based on the comprehensive analysis of the foreign adoption of shield method on the subway station construct

7、ion,the thesis discusses the application of shield method combining cut and COVer method on the subway station construction,using the Chengdu Metro Line 1Fuhuayuan station as a numerical analysis background.The mainlystudy content are as follows:Through the analysis of domestic and international eng

8、ineering practice,the thesis develops a plan for subway station structure and size,and then designs the block segment for shield tunnel segment;Discusses the embedded depth of diaphragm wall and other supporting construction methods during expanding excavation,using numerical simulaiton.The author o

9、btains the law of impact of reasonable embedded depth of the diaphragm wall and the auxiliary construction measures on the expanding excavation construction;The thesis analyzes the proposedprograms applied twodimensional numerical simulation,and men shows the reasonable construction scheme.The autho

10、r also studies the mechanical behavior during the construction process using threedimensional numerical simulation.Keywords:shield method,cut and COVer method,subway station,numerical simulation西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全

11、部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1.保密口,在 年解密后适用本授权书;2.不保密0使用本授权书。(请在以上方框内打“v”日期:劭.正乞/西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下:(1对盾构法结合明挖法修建地铁车站的结构方案进行分析,拟定本文研究的车 站主体结构方案和尺寸并对盾构管片提出分块方式。(2对扩挖施工中地下连续墙入土深度进行研究,得出其合理入土深度。对辅助 施工措施进行分析,得出其各自单独作用时对扩挖施工的影响。(3拟定具体扩挖施工方案,通过二维数值模拟的方法进行分析研

12、究,确定了合 理扩挖方案与施工中的危险工况。针对合理扩案方案进行三维数值分析比较,并提出 安全性评价。本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名:藕易1讲 日期:2,o/O.1;.工第1章绪 论1.1盾构法隧道施工的历史盾构施工技术自1823年由布鲁诺尔首创于英国伦敦的泰晤土河的水底隧道 工程以来,已有170余年的历史。在这170余年的风风雨

13、雨中,经过几代人的 努力,盾构法已从一种只能在极少数欧美发达国家中才见应用的特殊技术,发 展成为在发达圜家中极为普通,在发展中国家中亦逐渐得到应用的隧道施工技 术。据说最早发明盾构法的思路是来自发明者的一个有趣的发现,英国的布鲁 诺尔发现船的木板中,有一种蛀虫钻出孔道,并用它自己分泌的液体覆涂在孔 壁上。1818年布鲁诺尔在蛀虫钻孔的启示下,最早提出了用盾构法建设隧道的 设想,并且在英国取得了该施工法的专利。1825年,布鲁诺尔用他自己的想法 制成盾构,并第一次在泰晤士河施工了水底隧道。这条道路隧道的断面(11.4m 6.8m相当大,施工中遇到了坍方和水淹,加上隧道的损坏,当时处于难于进 展的

14、状态,由于初始未能掌握控制泥水涌入隧道的方法,隧道施工中两次被淹, 后来在东伦敦地下铁道公司的合作下,经过对盾构施工的改进,用气压辅助施 工,花了18年的时间才于1843年完成了全长458m的第一条盾构法隧道。 1865年巴尔劳首次采用圆形盾构,并用铸铁管片作为地下隧道衬砌。1869年,他用圆形盾构在泰晤土河底下建成了外径为2.21m的隧道。在盾构穿越饱 和含水地层时,施加压缩空气以防止涌水的气压法最先是在1830年由口切兰斯 爵士(Lord Coehrance发明的。1874年,在英国伦敦地下铁道南线的粘土和含水 砂砾地层中建造内径为3.12m的隧道时,格雷塞德(Henry Greathea

15、d(18441896 综合了以往所有盾构施工和气压法的技术特点,较完整地提出了气压盾构法的 施工工艺,并且首创了在盾尾后面的衬砌外围环形空隙中压浆的施工方法,为 盾构法发展起了重大的推动作用。1880-1890年间,在美国和加拿大间的圣克 莱河下用盾构法建成一条直径6.4111,长1800余m的水底铁路隧道。二十世纪 初,盾构施工法己在美、英、德、苏、法等国开始推广。3040年代在这些国 家已成功地使用盾构建成内径自3.O9.5m的多条地下铁道及过河公路隧道。仅 在美国纽约就采用气压法建成了19条重要的水底隧道,盾构施工的范围很广泛, 有公路隧道、地下铁道、上下水道以及其他市政公用设施管道等。

16、苏联40年代初开始使用直径为6.0-9.5m的盾构先后在莫斯科、列宁格勒等市修建地下铁道 的区间隧道及车站【231。1.1。1国外盾构技术发展概述从20世纪60年代起,盾构法在日本得到迅速发展,除了大量在东京、大 阪、名古屋等城市的地下铁道建设中外,更多地是用在下水道等市政公用设施 管道建设中。70年代,日本及联邦德国等国针对在城市建设区的松软含水地层 中由于盾构施工所引起的地表沉陷、预制高精度钢筋混凝土衬砌和接缝防水等 技术问题,研制了各种新型的衬砌和防水技术及局部气压式、泥水加压式和土 压平衡式等新型盾构及相应的工艺和配套设备。1993年建成的、连接英法两国的英吉利海峡隧道,全长48.5k

17、m,海底段长37.5km,隧道最深处在海平面下100m。 国一侧共用6台盾构,3台施工岸边段, 这条隧道全部采用盾构法技术施工,英 3台施工海底段,施工海底段的盾构要向海峡中单向推进21.2km,与从法国侧向英国方向推来的盾构对接。法国侧共 用6台盾构,2台施工岸边段,3台施工海底段。海峡隧道由2条外径8.6m的 单线铁路隧道及1条外径为5.6m米的辅助隧道组成。由于海底段最大深度达 lOOm,因此无论盾构机械还是预制钢筋混凝土管片衬砌结构均要承受10个大气西南交通大学硕士研究生学位论文 第3页压的水压力,又由于单向推进21.2km,盾构推进速度必须达到月进1000rn的 速度才能在3年左右的

18、时间内完成,因此盾构的构造及其后续设备均须采用高 质量的耐磨耗及腐蚀的材料。所以该隧道的修建标志着盾构施工技术的最新水 平。近年来,日本把机械式盾构作了改进,研制出了用加压泥浆稳定开挖面的 泥水加压盾构和利用开挖出的土体作平衡开挖面的土压平衡盾构。(1我国早期的隧道掘进机(220世纪60、70年代掘进技术的发展与应用(380年代我国隧道掘进技术的进步和发展1980年,上海市进行了地铁1号线试验段施工,研制了一台直径6.41m的 刀盘式盾构掘进机,后改为网格挤压型盾构掘进机,在淤泥质粘土地层中掘进 隧道1230m。1985年,上海延安东路越江隧道工程1476m圆形主隧道采用上海 隧道股份设计、江

19、南造船厂制造的直径11.3m网格型水力机械出土盾构掘进机。 1985年,上海芙蓉江路排水隧道工程引进一台日本川崎重工制造的直径4.33m 小刀盘土压盾构,掘进1500m,该盾构具有机械化切削和螺旋机出土功能,施 工效率高,对地面影响小的特点。1987年上海隧道股份研制成功了我国第一台 巾4.35m加泥式土压平衡盾构掘进机,用于市南站过江电缆隧道工程,穿越黄浦西南交通大学硕士研究生学位论文 第4页 曼曼曼曼曼曼曼!曼曼曼曼曼曼曼曼!皇曼|I曼曼曼曼曼曼曼寰蔓曼曼曼曼量曼曼皇!曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼!蔓!曼!曼皇江底粉砂层、掘进长度583m,技术成果达到80年代国际选进水平,并获得1990年国家

20、科技进步一等奖。(490年代后我国隧道掘进技术的发展和现状1.2面临的问题及及解决思路虽然盾构工法有着非常大的优势,但在地铁建设中由于盾构设备利用率偏 低、盾构区间分散、盾构机的始发、调头和转场等次数过多以及大量的非正常 掘进工期过多和额外成本较多等问题的出现,成为了许多专家对盾构法的施工西南交通大学硕士研究生学位论文 第5页 速度快、工程成本低的优势产生质疑的最为直接的原因8】。可以看到,由于地铁 车站间的间距(以北京地铁为例,约2km左右较小【l 21,导致盾构法修建区间隧 道的长度较短,施工工期较短;而地铁车站施工工期较长(一般为22.5年,两 者工期的不相匹配要求盾构区间相邻车站的站端

21、要为盾构机的始发和到达或过 站提供相应的条件。这要求在盾构施工组织编制和整条线路工程筹划时必须协 调好两者的关系,这种协调也就极大地影响着整个工程的进度。因此,为解决目前国内区间盾构施工和车站施工工期矛盾的问题,寻求盾 构法在我国地铁工程中大规模应用的突破口。在此一些学者研究提出了如下的 设想方案【16J:(1整条线路先修车站,再推区间的方案:即待整条线路上的车站全部通过 底板加宽和加深的方式修建完工后,能够提供盾构拖拉过站的条件下,利用盾 构机拖拉过站的方式完成盾构区间的施工。(2整条线路先推区间,再在条件成熟的位置建造车站的方案:即首先利用 盾构法将整条线路上的区间修建完毕,而后再逐个落实

22、预留车站周围的条件, 采用多种方式修建预留的地铁车站。以上两种方案均可以最大限度地解决车站与盾构区间施工的相互干扰,使 得区间工法的选择不再成为其他专业的边界条件;避免了周围建筑物和物业管 理以及地下管线对盾构区间施工的影响;可以实现在有条件的区间首选盾构法 的设计思路,确保了盾构区间最大程度的连续性,充分发挥盾构法施工速度快 和长距离掘进的优势;减少了盾构机投入的数量、盾构井的建设数量以及盾构 机拆装次数,从而提高盾构设备的利用率,增加其使用寿命,降低建设成本, 提高盾构法施工的综合经济效益。然而第一种解决方案过于理想化,因为车站施工受到诸多因素的影响,往 往因为地面建筑物的拆迁和交通疏解及

23、地下管线处理的难以协调,使得车站工 期得不到保证,这样就会导致全线的施工工期得不到保证,而且全线所有车站 的底板加宽和加深增加了过多的额外工程造价,因此从工程实际的角度来看, 该方案可行性不高;第二种方案使得整条线路的施工效率可能达到最高。原因 在于区间施工有条件以最快的速度完成,即待盾构区间贯通后,可以采用保留 大部分管片、仅在管片上开洞提供乘客上下车的条件下,再暗挖或明挖拓展地 铁车站的方式。西南交通大学硕士研究生学位论文 第6页 1.3国内外结合盾构法修建地铁车站技术现状国外结合盾构法修建地铁车站【62324】的时间比较早,主要集中为结合暗扩法 施工,大致可分为以下几种方法:(1盾构法与

24、横向通道结合建造地铁车站该类型车站主要是由两个或三个并列的圆形隧道通过横通道组成地铁车 站,其中对于客流量较小的车站,可采用由两个并列的圆形隧道组成侧式站台 车站,这是最简单的一种盾构车站。如图1.1。图1.1伦敦某地铁车站标准横断面对于中等客流量的车站,可以采用由三个并列的圆形隧道组成三拱塔柱式 车站,这种形式的车站在前苏联的深埋地铁中采用较多。与上述由两个并列的 圆形隧道组成的车站一样,它们的施工难点都在于横通道的设计与施工。如图 1.2。图1.2基辅某地铁车站标准横断面西南交通大学硕士研究生学位论文第7页lL 1_la =I曼蔓舅曼皇曼曼 (2盾构与半盾构法结合建造地铁车站此种方法即是先

25、用两台盾构平行开挖两旁侧隧道,然后在一台半盾构的掩 护之下掘进车站中间站厅部分。这种形式的车站也被称之为眼镜型车站,是一 种典型的岛式站台车站,乘客从车站两端的斜隧道或竖井进入站台,站台宽度 应满足客流集散的要求,一般不小于lOm。这种类型的车站在前苏联地下铁道 中应用的较多。如图1.3。图I-3莫斯科某地铁车站标准横断面(3盾构法与矿山法结合建造地铁车站该方法即采用盾构先行贯通车站行车隧道,然后采用矿山法扩挖两行车隧 道之间的部分。图1.4为圣彼得堡某地铁车站标准横断面。L纩 :? 扩忒1警 庭 一桫。 祭 馘 。、矽 . 蕊 f莩 Q 匙 A 。1650.卜、 /i I罟 u、 :. 7/

26、86186 锯 f . 孔?。 勃Q 夕 3 十, 渺 。 如D口%.是 乡必 心 ,j 、少 、一一i方向 归一化的速度。在考虑阻尼和不平衡力情况下可得新的节点速度:酽O+址=dO一了At+万A石t(,+彳7 (311从而可获得节点的位移:“j7+f:酊b(f+听7O+iAt(3-12对大变形模式,节点的位置将发生改变,因而导致网格形状的变化,对于 整体节点l,其新的位置由下式决定:70+f:7,0+nf7+_A-t(3-133.2模型的建立车站隧道为细长结构物,在不考虑纵向施工效应条件下发球平面应变模式, 故本章只考虑平面分析过程。(1模型边界:计算模型中,左右两侧边界选为2D左右,车站结

27、构下边界选为2H左右, 其中D为车站结构的总跨度,H为车站结构的总高度。两盾构隧道线间距为23m, 隧项埋深8.5m,车站顶板埋深2.5m,总高为12.5m,总宽为14m。因此,模型 边界选取为120m40m。地表附加荷载取为20kPa。(2本构模型及结构单元情况:因为地层主要为土体,故采用摩尔.库仑本构模型来模拟地层。地下连续墙 采用弹性本构模型模拟。土体加固通过改变相应单元的材料参数来进行模拟。 内支撑、车站结构以及基坑开扩后的横撑均采用梁结构单元来模拟。隧道管片 采用壳结构单元来模拟,不考虑壁后注浆与应力释放。管片实际上,盾构法施 工中,由于开挖后盾构管片施作得很迅速,因此壁后注浆对管片

28、内力的影响不 明显,而且不考虑此项的计算结果也偏安全。(3材料参数:盾构管片采用C50混凝土,考虑接头对管片结构整体抗弯刚度的影响,按西南交通大学硕士研究生学位论文 第25页照日本修正惯用法原理,采用等效刚度的方法来模拟。依据本文第3章的分析 结果,管片分块方案见图2-8,通缝拼装,取刚度折减系数H=0.4,弯矩增大系 数呲01轴力、蓟力和变形增大系数均为0。车站结构除中柱采用C45混凝土外,其余部分均采用C30混凝土。地下连续墙用C25混凝土。盾构管片内支撑与基坑横撑采用Q34S空心圆形钢管模拟,其中内支撑尺寸 为外径D=200mm,厚度t=14ram:基坑横撑为D=600mm,t;16ra

29、m e所有材料物理力学参数见表31。(4模型情况:在有限差分程序中采用纵向为lm的三维模型来模拟二维问题。模型的下边 界施加竖向约束.左右两侧边界施加水平方向约束,前后施加纵向约束。车站 模型网格见图3一l。整个车站平面共划分成5361个单元,10972个节点。车站施 工的模拟过程见表3-2。表3-1地层和支护结构物理力学参数a车站整体网格要壹銮鎏查誊翌圭彗耋圭兰譬篁兰 誊:!至黼目; 一jf强 -l lil 长=_l_-I 墨i l o*2:i 匿 鼍丰 P I=l 匿ir三至 ; 一 I 三壬 l :l 。l 一3_ L._三三一 l _二. E:j-:。 葺 划件 (b模型中各区域位置说

30、明(左右对称削3-1车站模型网格表3-2车站施T模拟过程S1:计算初始应力场 s2:右隧道开挖井支护s3:左隧道开挖并直护 s4:施作地下连续墙、内支掉、加固土体要要銮耋銮:堡圭暨圣兰喾竺篓耋 蓍:圣 s5:开挖第一层土体4m,加第一道横撑 s6:开挖第二层土体3m,加第二道横撑西南交通大学硕士研究生学位论文 第28页 詈曼曼曼!曼曼!曼曼曼曼曼曼罡皇曼曼曼曼曼曼曼!曼曼皇曼曼曼曼曼曼量曼!曼 I|_.II舅曼皇曼皇曼量曼!毫3.3地下连续墙入土深度的影响研究地下连续墙是基坑开挖中非常重要的一项工程,因为它不仅关系着基坑开 挖过程的安全因素,在车站施工完成后,也会作为车站永久结构的一部分与车

31、站共同受力、协同工作。连续墙过小的入土深度会导致挡土结构强度不足、变 形过大及稳定不足。轻则导致变形过大,影响正常施工,重则导致“踢脚挡 土结构破坏、基坑失稳危及周围环境【471。过大的入土深度使得工程造价提高, 所以合理的入土深度应是连续墙结构设计所必须要关注的问题。许多具体工程与文献资料都指出,当连续墙的入土深度大于0.91.OH44】 的时候,继续增加墙体入土深度对结构稳定性和变形的影响均不大。然而,在 本文中,除基坑工程外,两侧还有盾构隧道的存在,因此将地下连续墙的入土 方案定为18m,2lm和24m三种情况(基坑深度为15m。图3-2(a为右侧连续墙 监测点布置图,从地表连续墙顶每隔

32、2m一个点,共11个点。图3-2(b每个监 测点在施工过程中的最大水平位移值。车站施工过程为:在表3.2施工过程的S4中,仅作地下连续墙。其余施工 步骤同表3.2。(a连续墙监测点布置图40383634E、32嵯割3028;曼S蚶26托、24222018图3-2各监测点最大水平位移从图3.2中可以发现,最大水平位移发生在距墙项14m处,具体数值为:西南交通大学硕士研究生学位论文 第29页 1III为便于对后续施工辅助措施的比较,本文做了一个“参照组”,其车站施工 过程为:在表3,2施工过程的S4中,根据本节分析结果,仅作入土深度为21m 的地下连续墙,其余步骤同表3.2。3。4辅助施工措施研究

33、本节的目的是通过模拟辅助施工措施单独作用时的车站扩挖施工过程,定 性判断各辅助施工措施对扩挖施工的影响规律。因此主要从管片内力、管片及 土体位移等方向入手进行分析,对于对于其他未分析到的项目,并不是说基居 于次要地位或不重要。在结合明挖法扩挖建造地铁车站的施工方法,内支撑不但是区间盾构隧道 扩挖修建地铁车站的必要构件,起着传递内力,保持结构整体稳定的作用,而 且还可以在施工过程中用来确保盾构管片不产生过大的变形,从而减小盾构管 片因为拆除而产生的环向和纵向的松弛,避免漏水的危险,这是采取盾构扩挖 法修建车站所要解决的重要技术问题。盾构扩挖过程中体现的很重要的两个方面是会产生很大的不平衡力和剩余 部分管片的稳定问题,而这两个方面的保证都主要需要内支撑的作用,如果解 决好施工过程中力的传递和转化,保持管片在拆除后的稳定,则就可以保证施 工过程的安全进行,保证结构的防水功能。基于我国目