淺埋暗挖隧道施工性態(tài)的數(shù)值模擬與分析

1、淺埋暗挖隧道施工性態(tài)的數(shù)值模擬與分析        摘要: 地鐵隧道施工中, 隧道開(kāi)挖程序、施作的步驟對(duì)隧道穩(wěn)定性及地表沉降影響顯著。北京地鐵 10 號(hào)線某標(biāo)段淺埋單洞雙層隧道, 是出入口通道與車站中洞、旁邊單層側(cè)洞相接的暗挖部分, 單、雙層轉(zhuǎn)換, 初支結(jié)構(gòu)形式和施工都很復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)單洞雙層隧道分析較少, 與車站和通道相連接的這種單洞雙層隧道比較短, 對(duì)它的分析往往被忽視。對(duì)采用 3 層 6 導(dǎo)洞的 CRD 工法施工的這種淺埋單洞雙層隧道的施工性態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬, 分析該區(qū)域隧道施工引起的地表沉降, 探索一次性

2、開(kāi)挖成洞及隧道分步開(kāi)挖引起的地表沉降槽的變化形態(tài), 拱頂沉降及拱頂主應(yīng)力的變化。數(shù)值分析表明: 施工工序不同使隧道的偏挖引起的沉降槽向未開(kāi)挖一側(cè)偏移, 此過(guò)程中地層最大沉降并不發(fā)生在隧道中線處, 而是完成全部開(kāi)挖, 地層變形穩(wěn)定后, 其累計(jì)沉降最大值位于隧道中線處。隧道開(kāi)挖襯砌完全施作后, 地表沉降變化不大, 但是后續(xù)開(kāi)挖步引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力應(yīng)予以重視, 尤其對(duì)于中隔壁支撐及拱底襯砌的支護(hù), 要及時(shí)施作拱底二次襯砌。研究結(jié)果為單洞雙層隧道分步施工控制地表變形和洞周位移提供依據(jù)。關(guān)鍵詞: 淺埋暗挖隧道; 單洞雙層; 施工性態(tài); 數(shù)值模擬; 地表沉降 引 言   

3、;   在地鐵隧道施工中, 由于隧道開(kāi)挖將造成土體應(yīng)力重分布, 因此在一定的土體環(huán)境中, 隧道的開(kāi)挖方式對(duì)隧道穩(wěn)定性及地表沉降影響尤為顯著1。不同的施工程序, 在時(shí)空上相當(dāng)于荷載以不同的方式施加在隧道上2, 尤其對(duì)于淺埋隧道, 覆土厚度較小, 圍巖松散, 自承能力差, 隧道開(kāi)挖引起很大的地表沉降, 往往造成周邊建筑物破損、傾斜甚至倒塌。因此研究隧道施工工序?qū)λ淼婪€(wěn)定及地表沉降的影響具有重要意義3。本文即對(duì)北京地鐵 10 號(hào)線某標(biāo)段單洞雙層通道的施工工序引起的地表沉降及拱頂沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析。1 工程簡(jiǎn)介      北京

4、地鐵 10 號(hào)線某標(biāo)段與車站結(jié)構(gòu)相聯(lián)部位設(shè)4 個(gè)出入口通道, 每個(gè)通道在中洞和側(cè)洞之間的部分為單洞雙層通道, 其余部分為單層通道, 均采用暗挖法施工。東南和東北出入口通道, 中洞和側(cè)洞之間雙層部分長(zhǎng)度為 6.94 m, 雙層通道的開(kāi)挖尺寸寬×高為6600 mm×12000 mm, 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度為 300 mm,二襯結(jié)構(gòu)厚度為 500 mm, 二襯凈空尺寸寬×高為5000 mm×10100 mm。見(jiàn)圖 1, 土層參數(shù)見(jiàn)表 1。2 地表變形分析2.1 地表沉降理論分析      預(yù)測(cè)地面沉降量及影響范圍的

5、常用的方法有邊界元法、有限元法、根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法等。其中應(yīng)用較多的是 Peck 提出的經(jīng)驗(yàn)公式3:      式中: S( x) 為距離隧道中線 x 處的地面沉降量,m; S( max) 為隧道中線 x=0 處的地面沉降量, m; x 為距隧道中線的距離, m; i 為沉降槽的寬度系數(shù), 即沉陷曲線反彎點(diǎn)的橫坐標(biāo), m。Peck 假定橫向沉陷曲線為正態(tài)分布曲線。當(dāng)橫向沉陷曲線為正態(tài)分布曲線時(shí), Smax 與沉降槽體積 VS滿足下列關(guān)系:      沉降槽的寬度系數(shù) i 取決于接近地表的強(qiáng)度

6、, 隧道埋深和隧道半徑。通過(guò)在均勻介質(zhì)中試驗(yàn), 得到近似的幾何關(guān)系是:      式中: Z 為隧道開(kāi)挖面中心至地面的距離, m; R 為隧道半徑, m; K, n 為試驗(yàn)系數(shù), K=0.630.82, n=0.360.97。      由以上經(jīng)驗(yàn)理論可知, 地層沉降沿深度在任一橫斷面呈正態(tài)分布, 最大沉降位于隧道中心位置處, 隨著隧道埋深 Z 的不斷增加, 地表最大沉降值也不斷增大, 在隧道拱頂位置處沉降值達(dá)到最大。2.2 數(shù)值模擬     

7、本文分析采用了 Mohr-Coulomb 塑性模型4, 有限差分方法對(duì)單洞雙層隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬,其中初襯、臨時(shí)支護(hù)均用梁?jiǎn)卧? 小導(dǎo)管注漿作用通過(guò)提高土體的彈性模量及 c、 值來(lái)進(jìn)行模擬。目前世界上單洞雙層隧道并不多見(jiàn), 但是在隧道的出入口與車站中洞與側(cè)洞相連的部位, 單洞雙層通道較多,只是長(zhǎng)度較短, 施工往往被忽視。而此處恰是車站與側(cè)洞單洞單層通道的過(guò)渡, 對(duì)它施工所引起的地層擾動(dòng), 直接影響到測(cè)洞和車站的施工。本文完全模擬了雙層通道施工的動(dòng)態(tài)過(guò)程, 先進(jìn)行第步拱部超前小導(dǎo)管注漿, 臺(tái)階法開(kāi)挖步土體, 鋪設(shè)6- 150×150鋼筋網(wǎng), 架格柵并作格柵鎖腳錨桿, 隧道支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表

8、 2, 噴混凝土作初襯。然后依次進(jìn)行第步的施工, 見(jiàn)圖 2。2.3 分部開(kāi)挖引起的地表沉降分析      在進(jìn)行分步開(kāi)挖計(jì)算時(shí), 取隧道中線為零點(diǎn), 開(kāi)挖水平影響范圍約為隧道跨度的 15 倍, 以減小模型的邊界約束效應(yīng), 使模型更能真實(shí)地反映開(kāi)挖引起的沉降, 豎向影響范圍為隧道開(kāi)挖深度的 5 倍, 建立了100 m×60 m 的網(wǎng)格5-6, 見(jiàn)圖 3, 以隧道中心點(diǎn)為對(duì)稱點(diǎn)對(duì)地表 18 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了地表豎向位移的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集, 有關(guān)分步開(kāi)挖地表的沉降分布形態(tài)見(jiàn)圖 4。第一步導(dǎo)洞開(kāi)挖, 地表最大沉降量模擬計(jì)算值為36 mm, 地表沉降呈

9、正態(tài)分布, 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最大沉降量為 34.65 mm , 第二步開(kāi)挖地表模擬計(jì)算值最大沉降量為 38.149 mm, 實(shí)測(cè)值為 37.7 mm, 沉降槽的寬度沒(méi)有變化, 水平影響范圍也沒(méi)有增加, 在-40 m +40 m 處沉降曲線幾乎重合, 說(shuō)明隨著隧道進(jìn)一步開(kāi)挖, 地表沉降曲線沉降槽的寬度沒(méi)有變化, 沉降量略有增加。本文也模擬了當(dāng)?shù)诙介_(kāi)挖先開(kāi)挖導(dǎo)洞后地 表 變 形 的 情 況 , 開(kāi) 挖 面 上 對(duì) 應(yīng) 的 地 表 出 現(xiàn) 了18.165 mm 的隆起, 與第一步開(kāi)挖導(dǎo)洞地層的變形完全相反, 沉降槽的寬度也明顯增加, 不利于地層的穩(wěn)定沉降。1     

10、;          進(jìn)行第三步導(dǎo)洞的開(kāi)挖后, 地表最大沉降發(fā)生在距離隧道中線- 2.45 m 處, 沉降量為 20.637 mm,沉降槽右移; 第四步導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后, 地表的最大變形發(fā)生在距離隧道中線 12.4 m 處, 隆起量為10.55 mm, 同時(shí)在距離隧道中線- 17.4 m 處發(fā)生了7.436 mm 的地表最大沉降, 沉降曲線表明右側(cè)導(dǎo)洞的開(kāi)挖引起沉降槽向 x軸負(fù)方向移動(dòng), 但并不是簡(jiǎn)單的平移, 以隧道中心線為中心 040 m 之間的地表均有不同程度的隆起, 大于 20 m 的范圍地表沉降的趨

11、勢(shì)與導(dǎo)洞開(kāi)挖地表沉降的趨勢(shì)一致, 沉降槽的最低點(diǎn)在中心線附近, 沉降曲線表明地層變形很平緩。說(shuō)明該施工過(guò)程有利于地表沉降的控制。第五步導(dǎo)洞開(kāi)挖后, 地表最大變形發(fā)生在距離隧道中線 7.44 m處, 最大沉降量為 45.759 mm, 最大隆起發(fā)生在距離隧道中線- 22.4 m 處, 隆起值為 7.08 mm, 沉降槽的寬度比第一步、第二步開(kāi)挖時(shí)沉降槽的寬度增加20%左右, 并且沉降槽偏移, 與實(shí)際施工性態(tài)相符,此時(shí)正是進(jìn)行導(dǎo)洞的開(kāi)挖; 第六步導(dǎo)洞開(kāi)挖, 隧道中心點(diǎn)附近- 2.45 m 處地表發(fā)生 37.596 mm 的沉降, 最大隆起發(fā)生在距離隧道中線- 22.4 m 處, 隆起值為 11.0

12、3 mm, 沉降槽的寬度有所收斂, 比第一步、第二步開(kāi)挖的沉降槽寬度減小 5%左右, 并且沉降槽向隧道中線偏移, 此時(shí)單洞雙層隧道開(kāi)挖完畢。      從以上數(shù)值分析, 可以看出分步施工中, 隧道先期導(dǎo)洞偏挖時(shí), 沉降槽向未開(kāi)挖一側(cè)偏移; 在右側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí), 可以認(rèn)為開(kāi)挖沉降槽是新形成的, 但是新的沉降槽反映出導(dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)地層的擾動(dòng)沒(méi)有初始開(kāi)挖對(duì)地層的擾動(dòng)大, 并且新的沉降槽是受先期地層沉降影響的, 有利于對(duì)施工引起的地表沉降進(jìn)行控制。圖 5 是模擬第三步施工先開(kāi)挖導(dǎo)洞引起的地表沉降曲線, 隨著隧道開(kāi)挖深度的增加, 地表沉降繼續(xù), 最大沉降量達(dá) 60 mm, 在開(kāi)挖跨度 3.3 m 范圍內(nèi), 地表沉降均在 60 mm 左右, 說(shuō)明此時(shí)襯砌受到的圍巖壓力很大, 沉降槽的寬度收斂, 表明沉降槽的寬度與形狀受隧道開(kāi)挖面的形狀影響較大。      在開(kāi)挖過(guò)程中, 拱頂?shù)某两狄?jiàn)圖 6, 隨著施工步的進(jìn)行, 拱頂?shù)某两党示€性, 但是距離隧道中線-3 m的拱頂沉降變化很小, 隨著施工步的進(jìn)行, 拱頂?shù)某两抵抵饾u變?yōu)檎? 與實(shí)測(cè)相符。拱頂由