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,隧道開挖程序、施作的步驟對隧道穩(wěn)定性及地表沉降影響顯著。北京地鐵10號線某標段淺埋單洞雙層隧道,是出入口通道與車站中洞、旁邊單層側洞相接的暗挖局部,單、雙層轉換,初支構造形式和施工都很復雜。目前國內外對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擬短,對它的分析往往被無視。對采用3層6導洞的RD工法施工的這種淺埋單洞雙層隧道的施工性態(tài)進展數(shù)值模擬,分析該區(qū)域隧道施工引起的地表沉降,探究一次性開挖成洞及隧道分步開挖引起的地表沉降槽的變化形態(tài),拱頂沉降及拱頂主應力的變化規(guī)律。數(shù)值分析說明:施工工序不同使隧道的偏挖引起的沉降槽

2、向未開挖一側偏移,此過程中地層最大沉降并不發(fā)生在隧道中線處,而是完成全部開挖,地層變形穩(wěn)定后,其累計沉降最大值位于隧道中線處。隧道開挖襯砌完全施作后,地表沉降變化不大,但是后續(xù)開挖步引起的構造內力應予以重視,尤其對于中隔壁支撐及拱底襯砌的支護,要及時施作拱底二次襯砌。研究結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參考根據(jù)。關鍵詞:淺埋暗挖隧道;單洞雙層;施工性態(tài);數(shù)值模擬;地表沉降引言在地鐵隧道施工中,由于隧道開挖將造成土體應力重分布,因此在一定的土體環(huán)境中,隧道的開挖方式對隧道穩(wěn)定性及地表沉降影響尤為顯著1。不同的施工程序,在時空上相當于荷載以不同的方式施加在隧道上2,尤其對于淺埋

3、隧道,覆土厚度較小,圍巖松散,自承才能差,隧道開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對隧道穩(wěn)定及地表沉降的影響具有重要意義3。本文即對北京地鐵10號線某標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展了數(shù)值模擬與分析。1工程簡介北京地鐵10號線某標段與車站構造相聯(lián)部位設4個出入口通道,每個通道在中洞和側洞之間的局部為單洞雙層通道,其余局部為單層通道,均采用暗挖法施工。東南和東北出入口通道,中洞和側洞之間雙層局部長度為6.94,雙層通道的開挖尺寸寬高為660012000,初期支護構造厚度為300,二襯構造厚度為500,二襯凈空尺寸寬高為50001

4、0100。見圖1,土層參數(shù)見表1。2地表變形分析2.1地表沉降理論分析預測地面沉降量及影響范圍的常用的方法有邊界元法、有限元法、根據(jù)實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計方法等。其中應用較多的是Pek提出的經歷公式3:式中:S(x)為間隔 隧道中線x處的地面沉降量,;S(ax)為隧道中線x=0處的地面沉降量,;x為距隧道中線的間隔 ,;i為沉降槽的寬度系數(shù),即沉陷曲線反彎點的橫坐標,。Pek假定橫向沉陷曲線為正態(tài)分布曲線。當橫向沉陷曲線為正態(tài)分布曲線時,Sax與沉降槽體積VS滿足以下關系:沉降槽的寬度系數(shù)i取決于接近地表的強度,隧道埋深和隧道半徑。通過在均勻介質中試驗,得到近似的幾何關系是:式中:Z為隧道開挖面中心至

5、地面的間隔 ,;R為隧道半徑,;K,n為試驗系數(shù),K=0.630.82,n=0.360.97。由以上經歷理論可知,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到達最大。2.2數(shù)值模擬本文分析采用了hr-ulb塑性模型4,有限差分計算方法對單洞雙層隧道開挖過程進展模擬,其中初襯、臨時支護均用梁單元,小導管注漿作用通過進步土體的彈性模量及、值來進展模擬。目前世界上單洞雙層隧道并不多見,但是在隧道的出入口與車站中洞與側洞相連的部位,單洞雙層通道較多,只是長度較短,施工往往被無視。而此處恰是車站與側洞單洞單

6、層通道的過渡,對它施工所引起的地層擾動,直接影響到測洞和車站的施工。本文完全模擬了雙層通道施工的動態(tài)過程,先進展第步拱部超前小導管注漿,臺階法開挖步土體,鋪設6-150150鋼筋網(wǎng),架格柵并作格柵鎖腳錨桿,隧道支護參數(shù)見表2,噴混凝土作初襯。然后依次進展第步的施工,見圖2。2.3分部開挖引起的地表沉降分析在進展分步開挖計算時,取隧道中線為零點,開挖程度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,使模型更能真實地反映開挖引起的沉降,豎向影響范圍為隧道開挖深度的5倍,建立了10060的網(wǎng)格5-6,見圖3,以隧道中心點為對稱點對地表18個點進展了地表豎向位移的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集,有關分步開挖

7、地表的沉降分布形態(tài)見圖4。第一步導洞開挖,地表最大沉降量模擬計算值為36,地表沉降呈正態(tài)分布,現(xiàn)場實測最大沉降量為34.65,第二步開挖地表模擬計算值最大沉降量為38.149,實測值為37.7,沉降槽的寬度沒有變化,程度影響范圍也沒有增加,在-40+40處沉降曲線幾乎重合,說明隨著隧道進一步開挖,地表沉降曲線沉降槽的寬度沒有變化,沉降量略有增加。本文也模擬了當?shù)诙介_挖先開挖導洞后地表變形的情況,開挖面上對應的地表出現(xiàn)了18.165的隆起,與第一步開挖導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。轉貼于論文聯(lián)盟.ll.進展第三步導洞的開挖后,地表最大沉降發(fā)生在間隔 隧道

8、中線-2.45處,沉降量為20.637,沉降槽右移;第四步導洞開挖完成后,地表的最大變形發(fā)生在間隔 隧道中線12.4處,隆起量為10.55,同時在間隔 隧道中線-17.4處發(fā)生了7.436的地表最大沉降,沉降曲線說明右側導洞的開挖引起沉降槽向x軸負方向挪動,但并不是簡單的平移,以隧道中心線為中心040之間的地表均有不同程度的隆起,大于20的范圍地表沉降的趨勢與導洞開挖地表沉降的趨勢一致,沉降槽的最低點在中心線附近,沉降曲線說明地層變形很平緩。說明該施工過程有利于地表沉降的控制。第五步導洞開挖后,地表最大變形發(fā)生在間隔 隧道中線7.44處,最大沉降量為45.759,最大隆起發(fā)生在間隔 隧道中線-

9、22.4處,隆起值為7.08,沉降槽的寬度比第一步、第二步開挖時沉降槽的寬度增加20%左右,并且沉降槽偏移,與實際施工性態(tài)相符,此時正是進展導洞的開挖;第六步導洞開挖,隧道中心點附近-2.45處地表發(fā)生37.596的沉降,最大隆起發(fā)生在間隔 隧道中線-22.4處,隆起值為11.03,沉降槽的寬度有所收斂,比第一步、第二步開挖的沉降槽寬度減小5%左右,并且沉降槽向隧道中線偏移,此時單洞雙層隧道開挖完畢。從以上數(shù)值分析,可以看出分步施工中,隧道先期導洞偏挖時,沉降槽向未開挖一側偏移;在右側導洞開挖時,可以認為開挖沉降槽是新形成的,但是新的沉降槽反映出導洞開挖對地層的擾動沒有初始開挖對地層的擾動大,并且新的沉降槽是受先期地層沉降影響的,有利于對施工引起的地表沉降進展控制。圖5是模擬第三步施工先開挖導洞引起的地表沉降曲線,隨著隧道開挖深度的增加,地表沉降繼續(xù)開展,最大沉降量達60,在開挖跨度3.3范圍內,地表沉降均在60左右,說明此時襯砌受到的圍巖壓力很大,沉降槽的寬度收斂,說明沉降槽的寬度與形狀受隧道開挖面的形狀影響較大。在開挖過程中,拱頂?shù)某两狄妶D6,隨著施工步的進展,拱頂?shù)某两党示€性,但是間隔 隧道中線-3的拱頂沉降變化很小,隨著施工步的進展,拱頂?shù)某两抵抵饾u變?yōu)檎?與實測相符。拱頂由于小導管注漿加固地層,襯砌剛度比