突變大斷面地鐵隧道施工的數(shù)值模擬

1、突變大斷面地鐵隧道施工的數(shù)值模擬摘要根據(jù)施工過程動(dòng)態(tài)規(guī)劃最優(yōu)化原理,以地表沉降作為目的函數(shù),建立地鐵隧道突變大斷面施工過程的數(shù)學(xué)模型,尋找最優(yōu)施工方法。以北京地鐵五號線突變大斷面為例進(jìn)展研究,結(jié)果說明,數(shù)值模擬計(jì)算的地表沉降在可控范圍之內(nèi),對施工起到了超前預(yù)報(bào)和預(yù)測作用。研究結(jié)果為控制地表沉降及圍巖變形采用有效的施工措施提供了可靠的根據(jù)。關(guān)鍵詞地鐵隧道突變大斷面施工方法數(shù)值模擬引言突變大斷面隧道在城市地鐵中較為常見,一般出如今一樣區(qū)間兩條平行地鐵線之間的渡線處和不同地鐵線之間的聯(lián)絡(luò)線處,其特點(diǎn)是開挖寬度大,接口變換頻繁,構(gòu)造復(fù)雜多變。城市地鐵一般埋深較淺,通常位于軟弱、破碎、自穩(wěn)時(shí)間極短的圍巖

2、中,假如施工方法不妥,極易發(fā)生巖體塌方或地表有害沉降。在綜合考慮進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)和平安等因素下,對于不同的截面,應(yīng)采用不同的施工方法和支護(hù)措施。1工程及地質(zhì)和水文概況北京地鐵五號線和平西橋站北土城東路站區(qū)間隧道在豎井橫通道K15+060往大里程方向設(shè)置有兩處大斷面,其斷面類型有D型、B型、E型、F型、G型、H型及J型,斷面之間采用突變轉(zhuǎn)換,每一斷面長度根本為12,即每隔12要進(jìn)展一次突變斷面轉(zhuǎn)換,左線與右線中心距14.818.8,平面見圖1。區(qū)間隧道自南向北橫穿永定河沖洪積扇,地層由上至下依次為人工堆積層、第四紀(jì)全新世沖洪積層和第四紀(jì)晚更新世沖洪積層。本區(qū)段地下水主要為上層滯水、潛水及承壓水。2隧道

3、施工方法分析由于突變大斷面隧道在左線和右線具有相似性,建立模型時(shí)只選取左線隧道。本文重點(diǎn)研究F型斷面、G型斷面和H型斷面的施工方法。2.1施工方法根據(jù)以往施工經(jīng)歷和相關(guān)文獻(xiàn)資料1,初步確定F型斷面和G型斷面采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,H型斷面采用三導(dǎo)洞法(中洞法)或兩導(dǎo)洞法。2.2突變斷面過渡施工技術(shù)區(qū)間左線隧道從豎井往大里程方向開挖后,須直接從小斷面過渡到大斷面,斷面間互相錯(cuò)臺達(dá)1.6以上。為保證土體穩(wěn)定及施工平安,采取從小斷面以1:2坡度喇叭口方式擴(kuò)挖至大斷面,以D型斷面過渡到B型斷面為例,一側(cè)錯(cuò)臺尺寸為1.8,最大錯(cuò)臺為1.9。開挖方式由短臺階法過渡為D法,設(shè)計(jì)為超前小導(dǎo)管支護(hù),為保證平安過渡到大

4、斷面,采取超前護(hù)頂穩(wěn)扎穩(wěn)打,步步成環(huán)的可靠施工方法。斷面錯(cuò)臺采取喇叭口擴(kuò)寬順接方式,順接長度以最大錯(cuò)臺長度為準(zhǔn)按1:2坡度順接,順擴(kuò)地段設(shè)在小斷面(即D型斷面)內(nèi)完成。待施作二次襯砌時(shí),擴(kuò)挖局部用同級二襯混凝土回填。二次襯砌內(nèi)輪廓仍按臺階過渡。其橫斷面示意圖、縱斷面示意圖分別見圖2、圖3。2.3雙連拱隧道轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)斷面施工技術(shù)2.3.1雙連拱隧道原設(shè)計(jì)施工方案左線隧道在H型截面施工時(shí)需要進(jìn)展工法轉(zhuǎn)換,由雙連拱隧道轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)斷面。采用三洞法施工,首先施工中洞,然后施工左右側(cè)隧道洞室,將其中心混凝土柱作為兩側(cè)隧道邊墻的一部份。其施工斷面見圖4。該種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是混凝土柱有足夠的寬度,開挖兩側(cè)隧道時(shí)較穩(wěn)定

5、;缺點(diǎn)是施工過程中須在混凝土柱頂預(yù)留防水層與兩側(cè)隧道施工防水層搭接,由于防水層已預(yù)先埋設(shè)在噴射混凝土里面,兩側(cè)隧道施工防水層時(shí)要把預(yù)留的防水層弄出來與其連接,防水層容易遭到破壞。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.2.3.2雙連拱隧道優(yōu)化設(shè)計(jì)施工方案優(yōu)化設(shè)計(jì)是將雙連拱隧道中洞法施工的三洞改為雙洞,見圖5。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后,原中洞法三洞改為雙洞,其混凝土柱僅作為置換中間局部土體,兩側(cè)隧道邊墻單獨(dú)施作,施工時(shí)可根據(jù)需要增設(shè)臨時(shí)仰拱。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于防水層施作的整體性好,有利于隧道防水;缺點(diǎn)是混凝土柱的寬度可能缺乏,導(dǎo)致穩(wěn)定性不夠。一般可根據(jù)情況在一側(cè)隧道施做二次襯砌的同時(shí),在另一側(cè)隧道加設(shè)支撐,以保證混凝土柱穩(wěn)

6、定。3數(shù)值模擬3.1參數(shù)選取本文數(shù)值模擬選用的參數(shù)按地質(zhì)勘察資料取用。圍巖支護(hù)參數(shù)指標(biāo)見表1。小導(dǎo)管注漿區(qū)域按加固土體來處理,模擬的工況按實(shí)際開挖和支護(hù)的過程分步進(jìn)展。3.2巖體本構(gòu)模型軟弱地層的巖體一般表現(xiàn)出彈塑性性質(zhì),因此在研究該段地層時(shí)采用彈塑性本構(gòu)模型。由于Druker-Prager準(zhǔn)那么考慮了圍巖靜水壓力對屈從特性的影響,并且能反映剪切引起膨脹的性質(zhì),因此在模擬彈塑性巖體中被廣泛應(yīng)用。D-P準(zhǔn)那么形式為式(1)。式中I1為應(yīng)力張量第一不變量;J2為應(yīng)力偏張量第二不變量;為圍巖粘聚力;為圍巖內(nèi)摩擦角。圍巖進(jìn)入塑性區(qū)后,每一點(diǎn)的摩爾-庫侖圓都是不同的。摩爾包絡(luò)線為一組具有一樣但不同的平行

7、直線,可見的變化對計(jì)算結(jié)果影響很大2。3.3F型和G型斷面計(jì)算結(jié)果分析通過三維彈塑性有限元分析可知,施工完成時(shí)地表最大沉降量約為5.165,均滿足施工期間地表的沉降量環(huán)境控制要求(30)。施工期間隧道圍巖的最大沉降值均位于G型斷面的拱頂部位以及雙連拱隧道拱頂部位,最大下沉值約為2.396,最大隆起量約為18.13,也位于這些部位的仰拱底部。計(jì)算結(jié)果一方面說明施工期間圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài),另一方面也說明這些部位是施工中的薄弱環(huán)節(jié),應(yīng)高度重視和親密關(guān)注,加強(qiáng)對這些部位的監(jiān)控量測。取幾組不同的粘聚力、內(nèi)摩擦角和彈性模量E的圍巖進(jìn)展比照和分析,還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)隧道處于軟弱圍巖地層中,掌子面處的土體出現(xiàn)塑性區(qū)

8、。因此,在大斷面隧洞施工時(shí),為防止圍巖坍塌,要及時(shí)封閉掌子面和施做臨時(shí)仰拱,使各單洞室初支盡快封閉成環(huán)。3.4H型斷面雙連拱隧道兩種施工方案比擬3.4.1施工進(jìn)度比擬采用三洞法施工,必須待G型斷面雙側(cè)壁導(dǎo)坑中間的土體施工完成后才能施工雙連拱隧道,且雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工每側(cè)洞室均要錯(cuò)開15以上,按單洞室2/d的進(jìn)度,待G型斷面中間土體施工完成至少需要12天,加以施工中洞及核心柱施工,至少需要10天,然后才能進(jìn)展左線隧道施工。當(dāng)三洞法改兩洞法施工后,僅需要G型斷面雙側(cè)導(dǎo)坑中的左線隧道施工完成后,即可進(jìn)入雙連拱隧道左側(cè)隧道施工,可節(jié)省工期至少22天。3.4.2計(jì)算結(jié)果比擬采用兩導(dǎo)洞法和三導(dǎo)洞法計(jì)算出的軸

9、力和位移見表2。由表2可知:采用兩導(dǎo)洞法和三導(dǎo)洞法其軸力和位移均小于標(biāo)準(zhǔn)允許值。但是通過對兩種工法在施工期間產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)展分析,可以發(fā)現(xiàn):兩導(dǎo)洞法施工中,初支最大軸力發(fā)生在右側(cè)隧道開挖并支護(hù)后,其位置發(fā)生在聯(lián)拱隧道混凝土柱與拱部相連處,因此,該工序?yàn)樽畈焕ば?三導(dǎo)洞法施工中,初支最大軸力發(fā)生在撤除中導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)后,其位置發(fā)生在聯(lián)拱隧道中混凝土柱與拱部相連處,因此該工序?yàn)樽畈焕ば?。兩種施工方法均能保證平安,施工時(shí)特別要注意混凝土柱與拱部相連處的監(jiān)測工作,但兩導(dǎo)洞法能節(jié)省22工天,臨時(shí)支護(hù)工程比三導(dǎo)洞法少一半,因此,H型斷面在實(shí)際施工時(shí)選取兩導(dǎo)洞法作為雙聯(lián)拱隧道的施工方法。4結(jié)論(1)突變大斷

10、面地鐵施工,采用三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算,可以選擇最優(yōu)方法施工,并確定出哪些部位是施工中的薄弱環(huán)節(jié),起到超前預(yù)報(bào)和預(yù)測的作用。在施工過程中,應(yīng)重視和關(guān)注薄弱環(huán)節(jié),加強(qiáng)對這些部位的監(jiān)控量測工作。(2)在中小間距隧道的力學(xué)分析中,深化研究其施工技術(shù)是必要的,其中主要是針對施工的主要目的值進(jìn)展施工方案和施工力學(xué)的優(yōu)化分析。(3)施工工況和開挖次序?qū)鷰r應(yīng)力釋放和支護(hù)受力會(huì)產(chǎn)生較大影響。分期開挖時(shí),前期開挖斷面上的位移受后期施工的影響而變化;同時(shí),施工開挖次數(shù)與圍巖的擾動(dòng)有關(guān),所以在施工條件答應(yīng)的情況下,應(yīng)減少開挖次數(shù)和選擇較優(yōu)的開挖順序,從而錯(cuò)開洞室開挖的互相影響。參考文獻(xiàn):1吳波,高波,漆泰岳,蔣正華.城市地