地鐵車站站后折返區(qū)間淺埋暗挖開挖過程的模擬研究

1、地鐵車站站后折返區(qū)間淺埋暗挖開挖過程的模擬研究     摘要:運用FLAC3D軟件,結合北京天壇東門地鐵車站站后折返區(qū)間具工程條件,折返區(qū)間在采用雙側壁導坑法開挖的情況下,對不同的局部開挖順序進行了數(shù)值模擬研究,得出了先同時開挖雙側洞,待支護、建筑完后,再開挖中洞的方法,對地表沉降影響及周圍土體擾動均比較小為最優(yōu)方案,為此類工程設計提供了理論依據(jù)。關鍵詞:淺埋暗挖雙側壁導坑法開挖順序FLAC3D模擬       在地下隧道開挖中,有關開挖順序的優(yōu)化分析是一重要的研究課題1。隨著開挖面的推進,如何

2、盡量保持巖土體的初始狀態(tài),減少對巖土體初始狀態(tài)的擾動,保持圍巖處于相對穩(wěn)定狀態(tài)及不發(fā)生過大位移是工程中密切關注的問題。它涉及到地下工程開挖方式的選擇,開挖空間的利用,最佳支護方式、支護參數(shù)及支護時機的確定等因素。因此針對具體的巖土體研究不同的開挖方式下圍巖的應力及位移狀態(tài),對分析圍巖穩(wěn)定性及推動地下工程施工力學的發(fā)展有著重要的意義。在淺埋暗挖地鐵工程施工中,橫斷面多采用分部開挖,其應力、位移釋放規(guī)律也比較復雜2,在橫截面上各部分土體不同的開挖順序?qū)Φ乇砑皣鷰r的影響這方面有一定的研究3,4,但在橫截面各部分土體開挖順序確定的條件下,各部分土體在縱向的開挖進度對地表及圍巖影響的研究卻比較少。本文結

3、合天壇東門站站后折返區(qū)間工程實例,模擬計算在縱向上不同開挖進度情況下,地表及圍巖位移變化規(guī)律,以指導隧道工程設計與施工。1 工程概況      北京地鐵5號線是一條縱貫京城南北交通大動脈,天壇東門站位于這條大動脈的南端,周圍古建筑較多,交通比較繁忙,施工方案采用淺埋暗挖法施工,站后折返區(qū)間是兩平行地鐵隧道的連接通道,通過折返區(qū)間,列車可在這兩條隧道上調(diào)換,由于區(qū)間功能的需要,折返區(qū)間跨度較大,最大斷面跨度為23.6m,高8.924m,縱向長32.943m,高跨比為0.378,為扁平結構,見圖1。2 開挖方案數(shù)值模擬  

4、60;   FLAC(拉格朗日元法)是目前世界上優(yōu)秀的巖土力學數(shù)值計算軟件系統(tǒng)之一,FLAC3D是一種三維顯式有限差分程序,其基本原理和算法與離散元法相似,它運用節(jié)點位移連續(xù)條件,可對連續(xù)介質(zhì)進行大變形,基于顯式差分法求解運動方程和動力方程,FLAC3D提供了梁、樁、錨桿、殼體等多種結構單元,非常適合于研究隧道開挖等巖土工程問題5。2.1 模型及邊界條件      在開挖過程中,地面橫向受影響范圍一般為開挖掌子面洞徑3倍的范圍。在無水、少水情況下,地面橫向沉降范圍一般認為等于結構埋深,也就是從結構物邊橫向向外結構埋深寬度6。

5、工程中側洞開挖斷面跨度為7.4m,受開挖擾動的橫向范圍主要在側洞外24m之內(nèi)。結構覆蓋土層厚度12.54m,結構底拱埋深21.5m。綜上所述,考慮到中洞開挖對兩側土體的擾動和模型邊界條件的影響,確定計算模型寬90m,高50m,縱向沿著隧道方向長度40m。由于內(nèi)部結構相對于整個模型顯得太小,為了更清晰顯示內(nèi)部結構,從而未顯示外圍土體,見圖2。      計算采用摩爾庫侖準則,模型在兩側邊界和前后邊界約束住水平位移,底部邊界約束住豎直位移,上邊界為自由面,考慮到地表是公路,因此模型在上邊界施加20kPa的豎直向下均布荷載。2.2 土體和襯砌材料參數(shù)

6、      根據(jù)實際勘測資料,土體特性分為4層。第1層:表層雜填土,厚1.4m;第2層:粉土,厚5.7m;第3層:粉質(zhì)砂土,厚4.3m;第4層:粉質(zhì)黏土與卵石,厚38.6m。土體參數(shù)見表1。2.3 開挖方案設計      折返區(qū)間采用雙側壁導坑法開挖,橫截面開挖順序見圖1。開挖定義如下:      A:開挖側洞1、2、3、4部分,臨時支護封閉,作初期襯砌、建筑柱和二次襯砌拱;      B:開挖中

7、洞上層5、6部分,臨時支護封閉頂拱,作初期襯砌,建筑中洞頂拱二次襯砌;      C:開挖中洞下層7、8部分,臨時支護封閉仰拱,作初期襯砌,建筑中洞仰拱二次襯砌。       開挖方案如下:      方案1:兩側A同時開挖,再B開挖,最后C開挖,完成整體結構。      方案2:一側A開挖,然后另側A開挖,再B開挖,最后C開挖,完成整體結構。    

8、60; 方案3:先兩側A同時開挖20m,B、C開挖20m;再兩側A同時由20m開挖到40m,B、C開挖由20m開挖到40m,完成整體結構。      方案4:先一側A開挖20m,另一側A開挖20m,再B、C開挖20m;后再一側A由20m開挖到40m,另一側A由20m開挖到40m,最后B、C由20m開挖到40m,完成整體結構。     2.4 模擬結果及分析      由于該隧道為三洞對稱結構,中洞凈空高度和跨度都大于兩邊側洞,又中洞所處中間位置兩側沒有圍巖

9、的約束,且中洞上部土體變形受到兩側洞開挖的擾動以及中洞土體開挖的雙重影響,使得中洞部位所對應的地面、頂拱相對位移變化量都大于側洞所對應的地面、頂拱相對位移變化量,中洞土體開挖對地面沉降和結構變形的影響都比較大,所以有效地控制由于中洞開挖而使得的地面沉降和結構變形是工程中的關鍵。      為研究隧道變形,沿著模型縱向(即沿著隧道方向)在5、10、15、20、25、30、35m處取7個截面,監(jiān)測截面中洞頂拱正中點及對應的地面點沉降,見圖3、圖4。       從圖3可以得出沿著隧道方向中洞地面沉降

10、逐漸增大后又有減小的趨勢,隧道兩端地面沉降小,而在中間附近地面沉降大。這是由于隧道端部土體圍巖壓力比較小,受前后開挖的擾動也比較小,而隧道中部圍巖壓力比較大,受前后開挖土體的擾動也比較大的緣故。隧道前段開挖,開挖面應力釋放,開挖面前部土體向開挖面傾斜,從而使得中洞地面沉降最大點一般在兩端中間偏后一些,方案1和方案2大約在截面25m處,方案3和方案4大約在截面30m處。分析圖4可以得出沿著隧道方向中洞頂拱沉降先逐漸增大后減小, 再增大最后又減小,沉降變化有一種波動的趨勢,但總體趨勢還是兩端沉降比較小,中間沉降比較大,這和其地面沉降趨勢相一致,只是在數(shù)值上頂拱的沉降比地面的沉降要大一些。這種變化趨

11、勢也和實際工程情況相吻合。分析圖3和圖4,后兩種方案的中洞地面和中洞頂拱沉降量都要大于前兩種方案,中洞地面最大沉降量后兩種方案分別是前兩種方案的1.6倍左右。頂拱最大沉降量是前兩種方案的1.24倍左右。分析四種方案,最根本的區(qū)別在于前兩種方案是側洞開挖、二次襯砌建筑完后再開挖中洞,后兩種方案是把整個工程沿著隧道方向分為前20m開挖、澆筑二次襯砌和后20m開挖、澆筑二次襯砌兩段進行施工,從圖3和圖4可以看出在前段15m施工時,四種方案地面和頂拱沉降相差不大,而之后的沉降差距就逐漸拉大,體現(xiàn)在施工開挖上即為前兩種方案側洞開挖到20m處后繼續(xù)開挖側洞,而后兩種方案側洞開挖到20m,建筑襯砌,開挖中洞

12、。前者由于先只開挖側洞,而中洞土體形成巖柱承受上部荷載,同時也隔開兩側洞,使得在開挖過程中開挖跨度不大,使圍巖有效地形成橫向應力拱,有效地抑制了地面沉降,而后者側洞開挖到20m處開始開挖中洞,開挖過程跨度較大,雖然側洞和中洞間建有隔柱承受上部荷載,但隔柱作用面積小,不足于形成中洞巖柱所形成的橫向應力拱,而又在開挖后半段20m時,由于前半段20m中洞土體已開挖掉,不能形成巖柱,結構凌空跨度很大,后半段的開挖對整個隧道結構和圍巖的擾動影響就越大,所以地面沉降和頂拱沉降就越大。由此可以判斷出方案1和方案2要優(yōu)于方案3和方案4。對于方案1和方案2,前者由于兩側洞同時開挖,開挖面積大,對圍巖及中洞土體擾

13、動也越大,故地面及頂拱沉降略大于后者。又因為該方案屬于對稱開挖,所以兩側洞頂拱沉降也大致相同。而方案2為非對稱開挖,左右側洞頂拱沉降不相等,最大相差達22%,大約在截面25m處,見圖5。      這就說明由于先開挖一側洞后再開挖另一側洞的時間關系而使得兩側土體變形和應力釋放都不相同, 導致結構兩側受圍巖壓力也不相同,結構處于偏壓狀態(tài),這對于結構的長期穩(wěn)定是不利的,如工程采用此種方案施工,則必須加大初期支護和二次襯砌的剛度來抵抗由于偏壓給結構帶來的不利影響。這勢必造成工程費用的增加,又其施工開挖面積小,施工工期長,且開挖另一側洞時對已建成的側洞

14、二次襯砌擾動影響較大,也不利于結構的長期穩(wěn)定。所以在滿足地面沉降的情況下,建議采用方案1,而不采用方案2。3 結語      1)對于結構對稱的隧道,建議應采用對稱開挖,且兩側開挖進度要遠大于中部開挖進度,這樣可更好地發(fā)揮中部土體巖柱作用,有效地減小開挖過程中整個跨度結構凌空面暴露的時間。      2)隧道結構頂拱沉降量要大于地面沉降量。隧道頂拱和地面的變形總體趨勢是在橫向上中間大、兩側小,在縱向上隧道兩端口小、中部大。      3)對比四種

15、方案,可判斷出在此工程中采用方案1為最優(yōu)方案,此方案沉降量比較小,能滿足地面沉降控制要求,工期短,但不足之處是同時開挖兩側洞對中間土柱擾動比較大,其穩(wěn)定性較差,需要采取預支護注漿等措施來增加土體的強度,提高土體的穩(wěn)定性。      4)對于方案2,由于一次性開挖面積小,對土體擾動也小,開挖后地面和頂拱的沉降量均小,對于某些地段需要嚴格控制地面沉降的工程,可以考慮用此方案進行施工。但此方案的缺點是工期長,由于要抵抗結構偏壓的影響而增大結構初期襯砌和二次襯砌的剛度,所以造價也比較高。 <BR參考文獻1吳波,高波,漆泰岳.城市地鐵區(qū)間隧道洞群開挖順序優(yōu)化分析J.中國鐵道科學,2003,24(5):24-28.2吉小明,張選兵,白世偉.淺埋暗挖地鐵隧道開挖過程的模擬研究J.巖土力學,2002,23(6):828-830.3宋衛(wèi)東,謝政平,張