隧道開(kāi)挖步距對(duì)地層位移影響研究

1、隧道開(kāi)挖步距對(duì)地層位移影響研究     摘 要: 以深圳地鐵暗挖隧道施工資料為基礎(chǔ), 利用三維模擬程序?qū)Π低谒淼朗┕み^(guò)程及支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬分析。對(duì)于噴射混凝土和格柵鋼架組成的隧道初支系統(tǒng), 考慮了噴射混凝土的時(shí)間效應(yīng)及格柵鋼架與噴射混凝土的不同剛度。在模擬過(guò)程中, 研究了不同開(kāi)挖步距對(duì)地層位移的影響規(guī)律。從分析結(jié)果可以得出, 隧道拱頂沉降和地表沉降隨著開(kāi)挖步距增加而增大, 其沉降與開(kāi)挖步距近似服從二次多項(xiàng)式的函數(shù)關(guān)系。關(guān)鍵詞: 數(shù)值模擬; 開(kāi)挖步距; 沉降 1 概述      在淺埋暗挖隧道施

2、工過(guò)程中, 工作面的開(kāi)挖步距往往是依工程類(lèi)比法等經(jīng)驗(yàn)方法選取的1, 雖然工程類(lèi)比法有一定的合理性, 但是由于缺乏對(duì)實(shí)際地層條件的把握, 無(wú)法對(duì)開(kāi)挖步距做出及時(shí)準(zhǔn)確的選擇和調(diào)整。開(kāi)挖步距過(guò)小, 使施工中的開(kāi)挖與支護(hù)工序轉(zhuǎn)換頻繁, 不利于快速施工, 而且要使用很多的鋼拱架,造成材料的浪費(fèi); 開(kāi)挖步距過(guò)大, 空頂時(shí)間較長(zhǎng), 又容易造成很大的圍巖變形, 不利于工作面的穩(wěn)定, 對(duì)周?chē)h(huán)境造成不良影響。因此, 如何選取合理的開(kāi)挖步距, 既能滿(mǎn)足快速施工的要求, 又不會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境造成太大的影響, 是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。      本文試圖通過(guò)數(shù)值模擬的方法,

3、 對(duì)深圳地鐵軟弱地層暗挖隧道的開(kāi)挖步距進(jìn)行科學(xué)的研究, 從而為合理開(kāi)挖步距的選擇提供科學(xué)的依據(jù)。2 數(shù)值模擬概況2. 1 計(jì)算軟件簡(jiǎn)介      數(shù)值模擬軟件采用國(guó)際上著名的巖土工程計(jì)算軟件 FLAC- 3D, 與其他的有限元計(jì)算軟件相比, 該軟件具有以下優(yōu)點(diǎn): (1) 采用了顯式有限差分格式來(lái)求解場(chǎng)的控制微分方程, 并應(yīng)用混合單元離散模型, 可以準(zhǔn)確地模擬材料的屈服塑性流動(dòng)、軟化直至大變形, 尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過(guò)程等領(lǐng)域有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。(2) 計(jì)算過(guò)程中不必形成與有限元程序那樣的整體剛度矩陣, 每一步計(jì)算所需要計(jì)算

4、機(jī)內(nèi)存很小, 基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維問(wèn)題, 并且解決問(wèn)題的速度大大提高。2. 2 計(jì)算模型      (1)本構(gòu)模型的選取      本文數(shù)值計(jì)算選用 Mohr- Coulomb 模型。Mohr-Coulomb 彈塑性模型作為一種傳統(tǒng)的彈塑性力學(xué)本構(gòu)模型得到了工程界的廣泛應(yīng)用, 該破壞準(zhǔn)則與巖石材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近, 其反映的巖土材料破壞特征與材料的實(shí)際破壞情況符合。Mohr- Coulomb 屈服準(zhǔn)則即:      (2)地質(zhì)條

5、件      本文以深圳地鐵世界之窗站至白石洲站淺埋暗挖地鐵隧道地質(zhì)條件為基礎(chǔ), 圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表 1。      (3)地應(yīng)力條件      建立原始地層模型, 四周施加水平位移邊界約束條件, 頂部為自由邊界, 底部為固定垂直邊界。在重力條件下計(jì)算至初始平衡, 模擬原始地層應(yīng)力。      (4)模型的建立      地鐵隧道為馬蹄形, 凈寬 5

6、.1 m, 凈高 5.4 m, 初支為格柵鋼架和 C20 噴射混凝土, 厚 0.3 m, 鋼架間距為 0.8 m。二襯為 C30 鋼筋混凝土, 厚 0.3 m。取水平方向?yàn)?X, 垂直方向?yàn)?Y, 隧道軸線(xiàn)方向?yàn)?Z。考慮隧道開(kāi)挖的影響范圍及開(kāi)挖隧道的對(duì)稱(chēng)性, 計(jì)算范圍為開(kāi)挖隧道的一半作為計(jì)算對(duì)象, 取 X×Y×Z=25 m×20 m×30 m。在上述區(qū)域內(nèi)劃分三維有限差分網(wǎng)格。整個(gè)模型劃分為 49 830 節(jié)點(diǎn), 44250 個(gè)單元。模型的三維尺寸、網(wǎng)格劃分和邊界條件如圖 1 所示。      (5)初

7、期支護(hù)模擬      在許多隧道數(shù)值模擬中2,3,4, 初支系統(tǒng)一般模擬為 C20 混凝土, 其彈性模量、泊松比等參數(shù)采用普通混凝土的力學(xué)參數(shù)。但是, 噴射混凝土與一般混凝土相比, 有著不同的力學(xué)特性。一般噴射混凝土的彈性模量比普通混凝土低, 塑性較好5,6,7。而采用 28d 齡期的混凝土強(qiáng)度不符合混凝土強(qiáng)度的時(shí)間效應(yīng)。在工作面開(kāi)挖的初期階段, 噴射混凝土不能及時(shí)提供支護(hù)力。只有在施工一段時(shí)間后, 隨著時(shí)間的推移, 推進(jìn)距離的增加, 噴射混凝土逐漸硬化, 才對(duì)圍巖開(kāi)始提供支護(hù)力。      本

8、文主要研究不同開(kāi)挖步距對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。地鐵隧道的施工速度按每天一個(gè)循環(huán), 即每天開(kāi)挖、支護(hù) 0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 m。本文考慮了噴射混凝土的時(shí)間效應(yīng), 將不同齡期噴射混凝土的強(qiáng)度按照實(shí)際的施工過(guò)程進(jìn)行模擬, 對(duì)噴射混凝土采用 Mohr-Coulomb 模型。參數(shù)見(jiàn)表 2。      對(duì)鋼架部位的模擬適當(dāng)?shù)乜紤]了拱架的大剛度特性。即對(duì)拱架部位的噴射混凝土和鋼材按照鋼筋混凝土的配筋率進(jìn)行體積模量和剪切模量的折算。在對(duì)鋼架部位模擬時(shí), 不考慮鋼架部位的破壞, 采用彈性模型進(jìn)行模擬。2. 3 施工過(guò)程模擬  &

9、#160;   第一步, 先將隧道開(kāi)挖成臺(tái)階狀, 施加初始支護(hù)后, 計(jì)算至平衡, 作為開(kāi)挖的初始狀態(tài)。第二步, 按照實(shí)際的施工過(guò)程, 進(jìn)行隧道上下臺(tái)階的開(kāi)挖。第三步,及時(shí)地對(duì)開(kāi)挖的隧道進(jìn)行支護(hù), 噴射混凝土按照實(shí)際的施工時(shí)間模擬齡期強(qiáng)度。并計(jì)算至平衡。然后進(jìn)行下一個(gè)開(kāi)挖步驟。3 模擬結(jié)果及分析3. 1 步距 0.8 m 地表及拱頂沉降規(guī)律      圖 2 為隧道掘進(jìn)過(guò)程中地表沉降規(guī)律曲線(xiàn), 圖 3為拱頂沉降規(guī)律曲線(xiàn)。由圖 2 可以看出, 隧道的開(kāi)挖對(duì)地表沉降影響較大的范圍為工作面前方和工作面后方各 1.5 倍洞徑, 變形穩(wěn)

10、定后地表沉降為 76.05mm。由圖 3 可知, 拱頂沉降速率較大的范圍為工作面前方0.5 倍洞徑至后方 0.5 倍洞徑, 變形穩(wěn)定后拱頂沉降為 122.7 mm, 在格柵鋼架成環(huán)閉合以后, 以及隨著噴射混凝土強(qiáng)度的提高, 初支系統(tǒng)提供了足夠的支護(hù)抗力, 隧道圍巖變形趨于穩(wěn)定。     3. 2 步距 0.8 m 隧道橫斷面地表位移規(guī)律      圖 4 為隧道圍巖變形穩(wěn)定后的橫斷面地表位移曲線(xiàn)。由圖中可以看出, 隧道開(kāi)挖時(shí)的地表形成一個(gè)沉降槽, 沉降槽的中心位于隧道的軸線(xiàn)位置。地表最大水平位移出現(xiàn)在距離

11、隧道軸線(xiàn) 1 倍洞徑的位置, 為24.67 mm。3. 3 不同步距對(duì)拱頂及地表沉降影響規(guī)律      圖 5 為隧道不同開(kāi)挖步距對(duì)最終地表沉降的影響規(guī)律曲線(xiàn)。從圖中可以看出, 隨著開(kāi)挖步距的增加,地表沉降逐漸增大。對(duì)該曲線(xiàn)采用非線(xiàn)性回歸可得:ys=- 32.339x2- 5.3921x- 51.256 (3)      式中: ys 為變形穩(wěn)定后的地表沉降值(mm); x 為開(kāi)挖步距(m); 相關(guān)性系數(shù) R=0.9998。      圖 6 為

12、隧道不同開(kāi)挖步距對(duì)最終拱頂沉降的影響規(guī)律曲線(xiàn)。隨著開(kāi)挖步距的增加, 拱頂沉降也在增加。尤其是當(dāng)開(kāi)挖步距超過(guò) 0.6 m 后, 拱頂沉降急劇增加。對(duì)該曲線(xiàn)采用非線(xiàn)性回歸可得:yvs=- 172.21x2+132.2x- 118.5 (4)      式中: yvs 為變形穩(wěn)定后的拱頂沉降值(mm); x 為隧道開(kāi)采步距(m); 相關(guān)性系數(shù) R=0.9994。      圖 7 為不同開(kāi)挖步距對(duì)隧道橫斷面地表最大水平位移的影響規(guī)律曲線(xiàn)。由圖可知, 地表的水平位移隨著開(kāi)挖步距的增加而增大。對(duì)該曲線(xiàn)采用

13、非線(xiàn)性回歸可得:yd=10.857x2+0.4686x+17.386 (5)      式中: yd 為變形穩(wěn)定后的地表最大水平位移值(mm);x 為開(kāi)采步距(m); 相關(guān)性系數(shù) R=0.9998。      由以上曲線(xiàn)分析可得, 該區(qū)間選用每 0.6m 設(shè)一榀鋼架是較為合適的。這樣就能夠在保證工作面土體穩(wěn)定的情況下, 滿(mǎn)足快速施工的要求。      分析開(kāi)挖步距影響地層位移的原因可知: (1) 開(kāi)挖步距增加, 空頂距和空頂時(shí)間增大, 拱頂不能得

14、到及時(shí)的支護(hù), 使得拱頂沉降增加, 從而導(dǎo)致地表沉降增大。(2)開(kāi)挖步距的增加使格柵鋼架距離增加, 鋼架距離的增加使得隧道初支襯砌剛度急劇減小, 導(dǎo)致抵抗圍巖變形的能力降低, 使圍巖變形增大, 拱頂和地表沉降增大。4 結(jié)論      (1)由以上分析可知, 由于時(shí)間效應(yīng), 噴射混凝土并不能及時(shí)對(duì)圍巖提供支護(hù)抗力。開(kāi)挖初期的圍巖應(yīng)力主要是作用在格柵鋼架上, 由大剛度的鋼架來(lái)阻止圍巖的變形。地表沉降規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本相符。地表沉降在工作面前后各 1.5 倍洞徑范圍內(nèi)變化較快, 超過(guò)該影響范圍后, 地表沉降變化趨于穩(wěn)定。拱頂沉降在工作面的位置沉

15、降速度很大, 在下導(dǎo)坑開(kāi)挖完畢, 鋼拱架成環(huán)以后, 拱頂沉降逐漸穩(wěn)定, 不再發(fā)展。因此, 保證暗挖隧道的正常循環(huán)作業(yè), 及時(shí)地對(duì)格柵鋼架成環(huán), 對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性有著極其重要的意義。      (2)隧道的開(kāi)挖步距對(duì)拱頂及其地表的變形有著較大的影響, 隨著開(kāi)挖步距的增大, 拱頂和地表的變形增大速度很快。其空頂距、空頂時(shí)間和襯砌剛度的降低是導(dǎo)致變形增加的主要因素。      (3)由于本文的數(shù)值模擬采用的地質(zhì)條件來(lái)源于深圳地鐵的一個(gè)區(qū)間, 以上得出的擬合公式只適用于該地質(zhì)條件。不同的地質(zhì)條件, 地層的位移特性與開(kāi)挖步距具有不同的函數(shù)關(guān)系。      (4)采用數(shù)值模擬的方法對(duì)地下工程的施工進(jìn)行科學(xué)的研究, 可以得出相關(guān)的規(guī)律, 來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐, 從而可以避免施工過(guò)程的盲目性。 <BR參考文獻(xiàn):1 王夢(mèng)恕. 地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論 M. 合肥: 安教育出版社, 2004.2 李振東, 李輝, 王健. 地鐵隧道支護(hù)系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究J.地下空間, 2004, 24 (1): 19- 23.3 劉和清. 地鐵暗挖隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)作用機(jī)理的數(shù)值解析