¿Análisis del comportamiento mecánico del túnel de escudo?
1 Cita
Con el rápido desarrollo de la construcción del metro en mi país, la red de metro continúa mejorando y la escala del desarrollo y utilización del espacio subterráneo urbano también se expande constantemente. Pero esto también hace que sea más común que los nuevos túneles de protección pasen a corta distancia a través de túneles de metro existentes y otros edificios subterráneos. Cómo controlar el desplazamiento del suelo causado por los túneles de protección que atraviesan edificios subterráneos a corta distancia, a fin de garantizar el uso normal de las estructuras e instalaciones subterráneas existentes y la excavación sin problemas de nuevos túneles de protección, tiene un papel rector importante en la construcción de zonas urbanas. Metro y el desarrollo y utilización del espacio subterráneo en mi país.
En la construcción adyacente de proyectos subterráneos, la construcción de nuevas estructuras cambiará el estado de tensión de las estructuras existentes, afectando así negativamente a las estructuras existentes. El modo de tensión de la nueva estructura subterránea también es diferente de la situación general de construir una única caverna en un cuerpo semiinfinito o infinito. El campo de tensiones inicial suele verse alterado varias veces y la construcción provocará otra perturbación. La tensión suele ser asimétrica y muestra una gran variabilidad. En términos generales, la construcción de nuevas estructuras hará que la roca circundante evolucione de los tres campos de tensión originales a cinco campos de tensión. Es la evolución de este campo de tensión la que conduce a variaciones de tensión en las estructuras existentes y en las estructuras recién construidas, lo que conduce a la seguridad de las estructuras existentes y a la complejidad de los nuevos proyectos de construcción. Este es un problema inevitable que debe resolverse, por lo que existe una necesidad urgente de estudiar su complejo mecanismo de tensión y las correspondientes contramedidas. La investigación sobre el comportamiento mecánico de la construcción de túneles de protección y su proximidad y superposición también está en auge en el país y en el extranjero, y se han llevado a cabo muchos estudios [1-7].
Basado en los principios de comportamiento mecánico y la simulación numérica de elementos finitos de la excavación de ingeniería subterránea, se utiliza la "unidad de vida y muerte" para simular la excavación de túneles, y se propone el método de unidades superpuestas para simular el proceso de propulsión del escudo. . Basado en el mecanismo de pérdida de formación causado por la construcción del escudo, se realizó un análisis de simulación tridimensional en el túnel de escudo recién construido de la Línea 10 del Metro de Beijing que cruza verticalmente el túnel del metro existente de la Línea 10. Calcular los resultados basándose en valores numéricos. Se estudió el comportamiento mecánico de la construcción de túneles de escudo adyacentes, se presentaron sugerencias útiles para el control de la construcción de nuevos túneles de escudo y medidas de refuerzo para las estructuras existentes, y el efecto de la excavación del túnel de escudo sobre la inclinación del fondo del ferrocarril del túnel de metro existente. bajo máximo avance se estudió el grado de influencia. Mediante la simulación de tres fuerzas propulsoras diferentes que actúan sobre la máquina de protección se estudió el impacto de la fuerza de propulsión sobre la deformación y la tensión principal del túnel en funcionamiento existente. Las conclusiones extraídas tienen cierta importancia para el diseño y la construcción de túneles de protección.
2 Modelo de análisis de elementos finitos tridimensional
2.1 Parámetros de rejilla y materiales utilizados en el cálculo del modelo de elementos finitos
El nuevo túnel pasa verticalmente a través del túnel existente, y el intervalo de análisis La distancia entre los dos túneles existentes es de 10 m. Son túneles de metro de sección circular de tres centros revestidos con hormigón simple. El nuevo túnel discurre verticalmente a través del túnel existente, siendo la distancia más cercana de sólo 1.245 m. El nuevo túnel se construyó mediante el método de escudo con un ancho de segmento de 1,2 m. Dado que la distancia entre los dos túneles existentes es de 10 m y la distancia entre los dos nuevos túneles es de 80 m, solo se seleccionó un túnel nuevo en el túnel de análisis. . El software de elementos finitos ANSYS a gran escala se utiliza para realizar análisis de excavación tridimensionales. Las dimensiones del modelo tridimensional de elementos finitos son 49,2 metros de largo, 50 metros de ancho y 50 metros de alto. La cuadrícula optimizada se muestra en la Figura 1, con 33450 unidades y 89780 nodos. El cálculo utiliza la unidad isoparamétrica de 20 nodos Solid95 3D proporcionada por ANSYS. Las restricciones del modelo de cálculo son que los lados izquierdo y derecho, los lados delantero y trasero están restringidos por un desplazamiento horizontal unidireccional, el lado inferior está restringido por un desplazamiento vertical unidireccional y el lado superior es el extremo libre. La carga aplicada es una carga de gravedad. En el cálculo de la simulación, el espesor del segmento es de 30 cm y el espesor del revestimiento de blindaje es de 6 cm. Los parámetros del material de formación utilizados en los cálculos del modelo se muestran en la Tabla 1 [8].
2.2 Simulación del proceso de excavación
Se simulan túneles existentes para excavar todo el tramo de una vez y hacer el revestimiento al mismo tiempo, es decir, primero se calcula el campo estático inicial. , luego se realiza la excavación de sección completa, y luego el Revestimiento. La distancia de avance del nuevo túnel es de 1,2 m, que es el ancho del revestimiento de la dovela. Dado que los segmentos se ensamblan bajo la protección de la carcasa de protección, el soporte de la carcasa de protección debe simularse al comienzo de la simulación, es decir, el material se cambia a material de carcasa de acero y se aplica presión P sobre la superficie de excavación para simular. el empuje del escudo, y luego Excavación, la parte excavada es la dovela y el suelo dentro de la dovela. Cuando el escudo avanza, la carcasa del escudo se tira hacia adelante y la sección de la cola del escudo queda expuesta. Se necesita lechada para llenar el espacio dejado por la cola del escudo para evitar que el túnel superior se asiente. En este paso, es necesario reactivar la unidad del segmento muerto, cambiar el material de esta parte de la unidad a concreto y cambiar el material del espacio en la cola del escudo a material de relleno.
En el proceso de simulación de túneles de escudo con "unidades de vida o muerte", las unidades de suelo generalmente se "muerten" primero y luego se "activan" en pasos de carga posteriores, mientras se cambian las propiedades del material.
Sin embargo, durante la simulación de la construcción de túneles de escudo, si se utiliza el método anterior, el suelo se deformará antes de que se apoye la cubierta del escudo, lo cual es muy diferente de la situación real de la construcción del escudo. Porque durante el proceso de construcción del escudo, el avance (soporte) del escudo y la destrucción del suelo donde se encuentra el escudo se completan al mismo tiempo. La excavación del suelo se lleva a cabo bajo la protección del escudo. Por lo tanto, la deformación y el daño del suelo. El estado de fuerza es muy diferente del estado de fuerza real. Por lo tanto, para simular el efecto de soporte de la coraza protectora, este trabajo propone generar un elemento de superposición utilizando un material diferente al elemento de suelo donde se ubica la coraza protectora. Durante el proceso de simulación, primero se eliminan los elementos superpuestos hechos de acero (carcasa protectora), y luego en el proceso de cálculo del paso de carga posterior se eliminan los elementos del suelo en la capa donde se encuentra la capa protectora. Los elementos de la carcasa en las posiciones correspondientes se activan para cambiar las propiedades del material. Cambiar al material de la carcasa protectora. De esta manera, en este paso de carga, el cálculo de la excavación del suelo bajo el soporte del escudo es más consistente con el proceso de tensión real
3 Análisis de los resultados del cálculo
Ingeniería previa Los cálculos muestran que, el impacto de los nuevos túneles sobre los túneles existentes generalmente comienza a una distancia de aproximadamente 8 m, es decir, la cara de trabajo del nuevo túnel está a 8 m del eje del túnel existente. Para analizar el impacto del túnel existente, se tomaron 7 tramos, y la distancia entre cada tramo fue de 4 m. El tramo seleccionado 1 se ubicó directamente encima de la intersección vertical de los dos túneles, y se tomaron 3 tramos cada 4. m a lo largo de las direcciones izquierda y derecha, es decir, el análisis principal fue Hay una distancia de efecto túnel.
Análisis de desplazamiento y tensiones de la sección 3.1 durante la excavación del escudo
Dado que la sección 1 está justo encima del eje del nuevo túnel del escudo y es la sección más peligrosa, todo el proceso de excavación es el máximo El desplazamiento y la tensión principal del revestimiento del túnel existente se muestran en la Figura 2. Lo siguiente sólo proporciona los resultados cuando la fuerza de propulsión máxima P = 1 MPa actúa sobre la superficie de trabajo de la máquina de protección. Las Figuras 2 y 3 muestran la relación entre el desplazamiento máximo, el desplazamiento horizontal máximo y el número de avance del revestimiento del túnel existente, respectivamente. Como se puede ver en la Figura 2, durante todo el proceso de excavación, el revestimiento del túnel existente se abulta verticalmente hacia arriba, lo que está relacionado principalmente con el empuje ejercido por la cara de trabajo del escudo. Por lo tanto, los parámetros de construcción de la máquina del escudo deben controlarse estrictamente. durante la construcción. Además, la diferencia máxima de desplazamiento vertical entre los revestimientos izquierdo y derecho del túnel es de aproximadamente 65.438 ± 0,5 mm y no ocurre en el mismo paso de excavación. El desplazamiento vertical máximo del revestimiento del túnel existente izquierdo es mayor que el desplazamiento vertical máximo del revestimiento del túnel derecho existente. Esto se debe a la asimetría de la tensión de los túneles izquierdo y derecho existentes bajo la misma fuerza de propulsión.
Como se puede ver en la Figura 3, la diferencia máxima de desplazamiento horizontal entre los revestimientos del túnel izquierdo y derecho es de aproximadamente 1,2 mm. El desplazamiento horizontal máximo en el lado derecho se produce en el paso 21, es decir, el escudo. La cara de trabajo se avanza por debajo del centro de los dos túneles, y el desplazamiento horizontal máximo en el lado izquierdo se produce en el paso 25 de excavación. El desplazamiento horizontal máximo de los dos túneles no se produce cuando la cara de trabajo se empuja directamente debajo del túnel existente. Esto se debe a que la fuerza de reacción del gato en la máquina de protección debe acumularse cuando pasa la protección, por lo que el desplazamiento horizontal del revestimiento del túnel existente a la izquierda es mayor que el desplazamiento horizontal del revestimiento del túnel existente a la derecha.
Como se puede observar en la Figura 4, los valores máximos de tensión principal de tracción de los revestimientos del túnel existentes izquierdo y derecho exceden los 2 MPa, y el valor máximo del revestimiento derecho es mayor que el del Dejó el revestimiento del túnel existente. A partir del noveno paso de excavación, la tensión de tracción principal máxima mostró una gran variación numérica. La tensión de tracción principal máxima de los dos revestimientos de túneles existentes superó los 1,5 MPa. Esto es diferente de algunos proyectos terminados. es decir, cuando la distancia entre la cara de trabajo del escudo y el eje del túnel existente a la derecha es de unos 10 m, la máquina del escudo ha entrado en el rango que tiene mayor impacto en el túnel existente, y el escudo avanza hasta este punto. durante la construcción. El alcance debe ser monitoreado estrictamente. También se puede ver en las Figuras 4 y 5 que la tensión de tracción principal máxima y la tensión de compresión principal del revestimiento del túnel existente están estrechamente relacionadas con la distancia entre la cara de trabajo del escudo y el túnel existente. Cuando la cara de trabajo del escudo está a unos 9 m de distancia del túnel existente, el impacto se vuelve prominente.
3.2 Impacto de la excavación del nuevo túnel escudo sobre los túneles existentes.
A través del rango de desplazamiento vertical y horizontal de la excavación del nuevo túnel protector en el túnel derecho existente, se puede analizar el rango de impacto de la excavación del nuevo túnel protector en el túnel existente. Se puede ver en las Figuras 6 y 7 (la dirección de la flecha en la figura indica el aumento en el número de pasos de avance del escudo). A medida que la máquina de escudo del nuevo túnel de escudo avanza hacia el túnel existente, se produce la deformación del túnel existente). El túnel está relacionado con la deformación del túnel del escudo. La dirección de avance es la misma. Cuando la fuerza de propulsión P = 1 MPa, el desplazamiento horizontal del revestimiento del túnel existente a la derecha alcanza el valor máximo de -7,828 mm en el paso 21 de excavación. Además, en el paso 17 de excavación, el levantamiento vertical alcanzó el valor máximo de 3.294 mm. Cuando pasó el escudo, tanto el desplazamiento horizontal como el desplazamiento vertical retrocedieron con respecto a la dirección de avance del escudo. Del análisis integral de los desplazamientos horizontales y verticales, se puede observar que el rango afectado por la excavación del hoyo derecho existente es de aproximadamente 50 m, es decir, dentro de este rango, los desplazamientos horizontales y verticales del revestimiento del hoyo derecho existente exceden 1mm. El estudio también encontró que los desplazamientos verticales y horizontales del revestimiento del túnel existente a la izquierda son básicamente los mismos que los del revestimiento del túnel existente a la derecha. La diferencia es que los desplazamientos verticales y horizontales del revestimiento del túnel existente en el lado izquierdo son mayores que los del lado derecho. Esto se debe principalmente a la influencia asimétrica de la excavación en escudo, que hace que los dos túneles reciban fuerzas asimétricas durante la excavación. proceso de excavación. Por lo tanto, al final La amplitud de la deformación es diferente.
3.3 El impacto de las diferentes fuerzas de propulsión del cabezal de corte en los túneles existentes
Debido a los cambios en la geología y el entorno circundante durante el proceso de propulsión del escudo, el ajuste de los parámetros de la máquina del escudo es un proceso en tiempo real. Durante el proceso de simulación se utilizaron principalmente tres condiciones de trabajo de propulsión P = 1, 0,5 y 0,3 MPa.
Se puede ver en la Figura 8 que cuando la fuerza de propulsión se reduce a la mitad, los desplazamientos verticales y horizontales máximos del revestimiento del túnel existente a la derecha disminuyen en diversos grados. En concreto, el desplazamiento vertical máximo disminuye de 3.294 mm a 1.665 mm, una disminución de aproximadamente un 49,4%, mientras que el desplazamiento horizontal máximo disminuye de -7.828 mm a -3.115 mm, y cuando la fuerza de propulsión disminuye un 70%, el desplazamiento vertical disminuye. desde El abultamiento se reduce a -1.278 mm y el desplazamiento horizontal se reduce a -1.563 m. De la reducción del desplazamiento se puede ver que la fuerza de propulsión es el factor principal que afecta directamente el cambio de desplazamiento del revestimiento del túnel existente.
En las condiciones de trabajo más desfavorables, P = 1 MPa, la tensión de compresión principal máxima del revestimiento del túnel existente es de -4,019 MPa. Para los revestimientos de túneles existentes hechos de concreto simple, la tensión de compresión principal está dentro del rango permitido del material. Por lo tanto, el estudio analiza principalmente la tensión de tracción principal máxima generada en el túnel existente bajo diferentes fuerzas de propulsión. Según el análisis de cálculo, cuando la fuerza de propulsión se reduce a la mitad, la tensión de tracción principal máxima en el revestimiento del túnel existente se reduce significativamente, con un rango de reducción de 2,702 MPa ~ 2,015 MPa. Cuando la fuerza de propulsión se reduce en un 70%, la tensión de tracción principal máxima del revestimiento del túnel existente se reduce a 1,559 MPa. Se puede encontrar que el área donde la tensión de tracción principal del revestimiento del túnel existente supera los 1,5 MPa se reduce significativamente. Especialmente en la parte principal más grande del túnel derecho que recubre la cintura del arco, la tensión de tracción disminuye significativamente. Se puede concluir que una de las principales medidas para prevenir el agrietamiento de los revestimientos de túneles existentes es controlar estrictamente los parámetros de empuje de la máquina de escudo durante el proceso de construcción.
3.4 Análisis de la inclinación del fondo de la vía
El túnel existente es un túnel subterráneo en funcionamiento Cuando el nuevo túnel escudo pasa por el túnel existente, es necesario monitorear la vía del existente. Túnel del metro en tiempo real. Pendiente inferior. En el análisis, se toman dos puntos en el revestimiento ferroviario de los túneles izquierdo y derecho como dos puntos para el análisis de resultados. La consideración principal es que la sección del revestimiento del túnel existente se comprimirá o inclinará durante el proceso de cruce. tomado para simular aproximadamente la deformación del punto de unión entre el carril y el revestimiento. Se puede ver en las Figuras 9 y 10 que durante todo el proceso de excavación del nuevo túnel protector, la diferencia en el desplazamiento vertical de los fondos de los rieles de los dos túneles existentes fue de 1 mm. Los cálculos de simulación muestran que el cruce no tiene impacto. El túnel de operación existente. La inclinación del fondo del ferrocarril tiene poco impacto, pero cabe señalar que durante la operación del túnel del metro existente, el cruce debe ser lento y continuo.
4 Análisis de refuerzo del túnel existente
Los resultados de la simulación del cruce del túnel muestran que diferentes fuerzas de propulsión tienen un mayor impacto en la tensión de tracción principal máxima del túnel existente. Dado que el revestimiento del túnel existente está compuesto de hormigón simple, pueden producirse grietas en el revestimiento del túnel existente bajo el gran empuje del escudo, por lo que es necesario reforzar previamente el revestimiento del túnel existente.
De acuerdo con las especificaciones de diseño del metro [9], el rango de refuerzo del túnel de doble vía existente es de aproximadamente 2 m. En concreto, el suelo en el medio de los dos túneles existentes está completamente reforzado y el suelo. El suelo por encima y por fuera del túnel es de aproximadamente 2 m, es necesario reforzar el suelo transversal entre el fondo del túnel y el nuevo túnel protector.
Como se puede ver en la Figura 11, el desplazamiento del revestimiento del túnel existente en el lado derecho antes y después del refuerzo es básicamente consistente con la excavación, pero la amplitud de la deformación se reduce significativamente el desplazamiento vertical después del refuerzo. se reduce a 2.728 mm, lo que concuerda con el de la excavación. Es aproximadamente un 17% respecto al refuerzo anterior. Tras el refuerzo, el desplazamiento horizontal se redujo a -4.852 mm, una reducción del 34%. De la disminución de la amplitud se puede ver que bajo la misma fuerza de propulsión, la influencia de las barras de acero en el desplazamiento horizontal es mucho mayor que su influencia en el desplazamiento vertical, lo que tiene un cierto efecto de referencia en el control de la deformación durante la construcción. Para el túnel existente en la línea izquierda, el patrón de cambio de desplazamiento del revestimiento antes y después del refuerzo es básicamente el mismo que en la línea derecha.
A través del cálculo y análisis, también se puede concluir que la tensión de tracción principal máxima en los lados medio y exterior de los revestimientos izquierdo y derecho del túnel existentes después del refuerzo es significativamente menor que antes del refuerzo, y el rango de La tensión de tracción principal en todo el túnel afectado por la excavación del escudo es mayor que antes de la disminución del refuerzo, como se muestra en la Tabla 2.
5 Teoría de la conclusión
A través de la simulación tridimensional, se puede ver que la construcción de nuevos túneles de escudo tiene un cierto impacto en los túneles de metro en funcionamiento existentes, pero mientras el escudo Los parámetros de construcción están estrictamente controlados. El fortalecimiento del monitoreo in situ de los túneles nuevos y existentes puede minimizar el impacto de los nuevos túneles de protección en los túneles existentes.
(1) Durante el avance del escudo, el desplazamiento vertical máximo del revestimiento del túnel existente ocurre cuando se excava un nuevo túnel del escudo directamente debajo del túnel existente. El desplazamiento horizontal máximo es a lo largo de la dirección de la máquina de protección y ocurre cuando la superficie de trabajo de la máquina de protección excede los 4,8 m a la izquierda del eje del túnel existente. La tensión de tracción principal máxima y la tensión de compresión principal máxima ocurren cuando la máquina de protección. está situado directamente debajo del túnel existente.
(2) A medida que la nueva máquina de protección del túnel avanza hacia el túnel existente, el alcance del túnel derecho existente afectado por la excavación es de aproximadamente 50 m. Al mismo tiempo, se inspecciona el área afectada de . Se debe reforzar el monitoreo in situ del túnel existente.
(3) El empuje de la máquina de protección es el factor principal que afecta la deformación y el estado de tensión del revestimiento del túnel existente. Por lo tanto, los parámetros de empuje de la máquina de protección deben controlarse estrictamente durante el proceso de construcción. Evitar el agrietamiento del revestimiento del túnel existente.
(4) Los cálculos de simulación muestran que el proceso general de cruce del túnel protector recién construido tiene poco impacto en la inclinación del fondo de la vía del túnel en funcionamiento. Sin embargo, durante la operación a través del túnel del metro existente, ésta debe ser lenta y continua.
(5) A través del análisis del refuerzo del túnel existente, se puede ver que la amplitud de deformación del revestimiento del túnel existente se reduce significativamente después del refuerzo, la tensión de tracción principal máxima fuera del revestimiento intermedio es significativamente menor que antes del refuerzo, y todo el túnel está protegido. El principal rango de tensión de tracción afectado por la excavación estructural también se reduce relativamente, lo que tiene un cierto papel rector en el control de la deformación durante el proceso de construcción.
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