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城市地铁线路大多需要穿越人口密集、交通繁忙和高楼林立的城市地下空间,隧道掘进施工中也常遭遇浅埋、地质条件复杂多变、工程施工与周边环境相互干扰等困难,因此城市地铁隧道施工往往导致地层沉降、管线破损及破坏地下水平衡等问题。另一方面,地面建筑、地下水等既有环境状态也将影响隧道施工安全顺利实施;城市地铁施工与周边环境相互作用强烈。故此,地铁隧道工程不仅要保证隧道本身的安全与稳定,而且要有效控制围岩的变形以及地下水条件以保护周围环境;在城市地铁隧道日益发展的前提下,周边环境对隧道施工的安全和环境要求愈来愈严格,在控制隧道变形以保护环境的前提下尽可能地设计经济合理的方案是未来隧道施工的发展方向。武汉市轨道交通2号线一期工程沿线交通干道纵横交错,地面交通流量大,高层建筑鳞次栉比,地下管线错综复杂。因此,对矿山法隧道施工对周边环境的影响进行探讨并有针对性的提出控制措施,以达到隧道矿山法施工条件下安全可靠、经济合理、对环境破坏小的目标。
本文以武汉地铁2号线矿山法施工隧道为研究对象,采用理论分析与数值计算相结合的手段,对区间隧道施工对临近建筑物影响的控制标准及控制措施等问题进行了分析;提出了以地层沉降为主要控制指标的标准体系;结合隧道穿越卓刀泉古寺施工引发的地下水问题,提出了优化的施工方案,控制了卓刀泉的地下水位,将隧道施工对环境影响的程度降到最低。
通过本论文的研究,得出了如下的成果及结论:
(1)在建筑物基础变形控制的地表允许沉降标准的基础上,假设建筑物为均质弹性地基梁,并结合Jubilee延长线评价标准中的建筑物损坏级别,建立了考虑建筑物等级和地层特征的沉降控制标准。以虎泉站-名都站区间隧道为例,通过对大量实测数据的分析,对沉降槽函数及沉降槽宽度i进行拟合,提出适用于现场实际的地面沉降控制标准;
(2)提出了隧道施工对邻近建筑物影响的控制措施。建立了临近建筑物施工影响范围分类体系及应采取的措施、监控量测工作要点以及管理等级和警戒值的设定原则及取值范围;并有针对性的提出了控制开挖产生沉降的施工控制手段方法、地层加固措施以及结构加固措施;
(3)选择邻近高层建筑物较多的17标区间隧道施工进行三维数值模拟,分析了左右线隧道穿越临近建筑顺序对建筑物的影响。对三种工况模拟结果的分析分别从总位移变化规律、xy平面剪切力变化规律、塑性区分布变化规律三个主要指标,采用模拟结果云图与列表数据对比方法,以定性与定量相结合的方法,得出了先左洞后右洞通过临近建筑物所引起的位移及应力变化较小,对建筑物和地层的影响较微弱,先左洞后左右洞开挖为最优施工方案,有效的指导了施工;
(4)以第23标段浅埋区间地铁隧道为例,优化并提出地层加固的方案,即采用台阶法短进尺开挖,双层小导管加强预支护,以锚杆、钢筋网喷射混凝土及钢格栅架为初期支护,模筑钢筋混凝土为二次衬砌,并通过现场监控量测及时反馈围岩应力应变关系,以指导设计和施工;结合数值计算和现场监测数据分析,证明了上述方案的优越性,有效的保证地面建筑的安全稳定;
(5)区间隧道施工中,有害变形时有发生。结合地铁2号线24标段区间隧道穿越青年国际酒店的施工案例,分析了大变形发生的过程;提出了地面注浆、隧道初期支护加强的险情段隧道施工方案;同时对洞内开挖采用短进尺上下台阶开挖施工和短进尺反台阶开挖两种施工顺序进行了比选;
(6)通过综合分析国内外现有的地下管线的控制标准,如地层移动变形标准、管线接头转角与脱开标准、允许管线应变标准、管线变形控制标准等,提出了武汉地铁管线控制标准为:武汉地铁矿山法施工段,管线允许沉降10-30mm,管线接头倾斜率0.002。煤气管道的变位:沉降或水平位移均不得超过10mm,每天发展不得超过2mm;自来水管道变位:沉降或水平位移均不得超过30mm,每天发展不得超过5mm;有效的指导了施工安全;
(7)从地铁邻近管线施工安全评估、管线施工保护对策等方面提出了地铁施工对邻近管线影响的控制技术原则及措施;
(8)以广埠屯站-虎泉站区间隧道为例,分析了卓刀泉水文地质条件,提出了通过加强初衬的堵漏措施,使在二衬前,不应发生渗漏现象,必要时采取化学注浆,封堵渗漏点;隧道掘进施工过程中,应以微量爆破、加强环向注浆、掌子面注浆堵水等措施为主,尽量减少开挖过程中地下水渗漏,漏点应及时封堵,不得引排;井水位下降时用回灌措施;施工中加强监测工作的综合解决方案;有效的保护了卓刀泉古寺的水文地质环境。
综上所述,本论文针对武汉地铁矿山法隧道的施工现状,考虑矿山法施工与工程地质条件、地面建筑、地下管线、地下水等因素的相互影响,对地铁隧道矿山法施工方案和技术进行了优化,提出了符合武汉地铁隧道工程实际的矿山法施工环境地质灾害控制技术,为武汉地铁隧道矿山法施工过程的安全和绿色施工提供了技术支持。