大斷面淺埋暗挖隧道施工過程數(shù)值模擬

1、大斷面淺埋暗挖隧道施工過程數(shù)值模擬                        摘要:結(jié)合廣州地鐵五、六號(hào)線區(qū)莊換乘地鐵車站大跨隧道的施工,通過數(shù)值模擬,對(duì)擬定的中導(dǎo)洞法和側(cè)導(dǎo)洞法兩種施工方案的動(dòng)態(tài)施工力學(xué)過程進(jìn)行模擬分析,通過計(jì)算結(jié)果的比較,為隧道的設(shè)計(jì)和施工方案的確定提供參考。關(guān)鍵詞:大跨隧道,淺埋暗挖法,數(shù)值模擬 1工程概況 &#

2、160;    廣州地鐵五、六號(hào)線區(qū)莊換乘站位于農(nóng)林下路和環(huán)市路的交匯處,五號(hào)線主體位于環(huán)市東路下方,線路方向沿環(huán)市路方向;六號(hào)線主體隧道位于農(nóng)林下路下方。主體隧道斷面分為A,B,C三種斷面,其中南站廳段為A型斷面,為文中重點(diǎn)研究的斷面。A型斷面為三聯(lián)拱,二柱二層三跨,長度為62m,斷面總寬度為24.208m,總高度為16.932m,拱頂覆土厚度為14.7m16.8m,斷面面積為410m2。      車站隧道圍巖分級(jí)為級(jí),級(jí)圍巖,主要穿越殘積土、全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶,圍巖條件較差,遇水易軟化。該大跨度隧道所處地段位

3、于鬧市區(qū)繁華地段,地面交通繁忙,高樓林立,地下管線較多,因此對(duì)于地層的沉降必須嚴(yán)格控制。2施工方案研究      目前,淺埋暗挖隧道施工方法主要有中導(dǎo)洞法、側(cè)導(dǎo)洞法及洞樁法,根據(jù)區(qū)莊站的實(shí)際情況,提出的可行施工方案有中導(dǎo)洞法及側(cè)導(dǎo)洞法,兩種開挖方法及開挖步驟見圖1。      考慮到隧道跨度大、埋深淺,且地面環(huán)境復(fù)雜,故采用大管棚和格柵鋼架作超前支護(hù)。大管棚用108mm熱軋無縫鋼管,每節(jié)長度為8m,環(huán)向間距300mm,縱向間距5m。小導(dǎo)管用32mm,長4m鋼管,環(huán)向間距30mm,縱向間距2.5m

4、。格柵鋼架縱向間距0.5m。格柵鋼架與初噴混凝土間鋪設(shè)雙層8×8200mm×200mm鋼筋網(wǎng)。3  數(shù)值模擬分析3.1 計(jì)算模型的建立      為降低邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響程度,模型左右兩側(cè)大于車站斷面跨度的3倍,模型底部也大于車站斷面高度的3倍,計(jì)算范圍如圖2所示。其中,地表取至地面,高程為32.6m,計(jì)算模型下部高程為-80.0m,模型左右長度為100m。采用位移邊界條件,固定模型左右兩邊界的橫向位移,底邊界的豎向位移。車站地表是馬路。計(jì)算模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為63336個(gè),總單元數(shù)為58200個(gè)。初始地應(yīng)力場只考慮巖

5、體自重產(chǎn)生的自重應(yīng)力。管棚加固區(qū)采用提高所在土體強(qiáng)度的實(shí)體單元模擬,初期支護(hù)采用殼單元模擬,二次襯砌采用實(shí)體單元模擬。土體本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Couloms彈塑性模型,初期支護(hù)、二次支護(hù)采用線彈性模型。3.2 計(jì)算參數(shù)的確定      隧道所處地層由人工填土層,粉細(xì)砂層-1,沖積洪積土層-1,河湖相淤泥質(zhì)土層-2,坡積土層-3,可塑或稍密中密狀殘積土層-1,硬塑或密實(shí)狀殘積土層-2,巖石全風(fēng)化帶,紅層強(qiáng)風(fēng)化帶,紅層中風(fēng)化帶,紅層微風(fēng)化巖組成。實(shí)際計(jì)算中所取的力學(xué)參數(shù)見表1。      鋼拱架等

6、作用采用等效法予以考慮,即將鋼拱架彈性模量折算給噴混凝土計(jì)算,計(jì)算方法如式(1):      其中,E為折算后混凝土彈模;E0為原混凝土彈模;Sg為鋼拱架截面積;Eg為鋼材彈模;Sc為混凝土截面積。                             3.3 計(jì)算結(jié)

7、果分析3.3.1 地面橫向沉降特征      兩種施工方案的地表沉降曲線如圖3,圖4所示。       從圖3,圖4可以看出,地表橫向沉降規(guī)律基本相似,符合peck沉降公式。沉降槽寬度約為40m,中導(dǎo)洞和側(cè)導(dǎo)洞的地表最大沉降量分別為-37.98mm,-25.66mm,中導(dǎo)洞的沉降量較大。側(cè)導(dǎo)洞前期位移較大,特別是第2步和第5步開挖。因此,在開挖時(shí),要隨時(shí)監(jiān)測圍巖收斂情況,并及時(shí)支護(hù)。3.3.2 拱頂沉降隨開挖的變化特征      從計(jì)算結(jié)果可以看

8、出,中導(dǎo)洞和側(cè)導(dǎo)洞拱頂最大沉降分別是-39.832mm,-35.03mm,側(cè)導(dǎo)洞沉降較小,且主要位移發(fā)生在前4步,以后趨于平緩,而中導(dǎo)洞后3步的位移則較大。3.3.3 初期支護(hù)的內(nèi)力特征   兩種施工方案的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力比較如表2所示。      從表2可以看出,中導(dǎo)洞工法的彎矩大于側(cè)導(dǎo)洞工法,而軸力則小于側(cè)導(dǎo)洞工法。兩種工法都有一個(gè)共同的特征,即兩邊拱肩和拱腳處,內(nèi)力都比較大,特別是拱肩。從圍巖特征曲線和支護(hù)特征曲線的相互關(guān)系可知,選擇合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)施加時(shí)間,可以減小支護(hù)的受力。如果支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度過小或支護(hù)過遲,都會(huì)導(dǎo)

9、致圍巖產(chǎn)生較大變形,甚至坍塌。理論上,在圍巖特征曲線的最低處實(shí)現(xiàn)圍巖和支護(hù)相互作用的平衡,所需要的支護(hù)阻力是最小的,但是目前還難以獲得準(zhǔn)確的圍巖特征曲線。因此,在施工過程中,應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)圍巖的監(jiān)測,以選擇合適的支護(hù)時(shí)機(jī),從而達(dá)到減小支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的目的。4結(jié)語      1)隧道表面的橫向沉降主要集中在隧道軸線的左右10m范圍內(nèi),即沉降槽寬度大約為20m,兩邊則受影響較小,基本符合peck公式。2)開挖初期圍巖沉降較大,因此,在開挖過程中,要注意監(jiān)測,并及時(shí)支護(hù),以防圍巖變形過大而產(chǎn)生坍塌。3)從地層沉降來看,側(cè)導(dǎo)洞工法較小。4)從結(jié)構(gòu)受力來看,中

10、導(dǎo)洞彎矩較大,而側(cè)導(dǎo)洞軸力較大,在施工過程中要考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度,并且選擇合適的支護(hù)時(shí)機(jī),以減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。5)總的來看,對(duì)淺埋暗挖隧道施工,兩種方案都是可供選擇的方案,采用哪種方案,要根據(jù)實(shí)際情況而定。具體到本隧道,考慮到地表情況復(fù)雜,對(duì)地層的沉降必須嚴(yán)格控制,因此,側(cè)導(dǎo)洞法是比較合適的選擇。 參考文獻(xiàn):1朱漢華,孫紅月,楊建輝.公路隧道圍巖穩(wěn)定與支護(hù)技術(shù)M.北京:科學(xué)出版社,2005.2吉小明,任偉新.隧道巖體賦存地質(zhì)特征及開挖過程描述J.地下空間與工程學(xué)報(bào),2006,2(4):615-620.3張頂立,王夢(mèng)恕,高軍,等.復(fù)雜圍巖條件下大跨隧道修建技術(shù)研究J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(2):290-296.4張銀屏,雷震宇,周順華.淺埋暗挖隧道對(duì)地表變形影響的三維數(shù)值分析J.華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,22(5):52-55.5張頂立,黃俊.地鐵隧