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,對擬定的中導洞法和側(cè)導洞法兩種施工方案的動態(tài)施工力學過程進行模擬分析,通過計算結(jié)果的比較,為隧道的設(shè)計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。      車站隧道圍巖分級為級,級圍巖,主要穿越殘積土、全風化帶、強風化帶,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,因此對于地層的沉降必須嚴格控制。2施工方案研究      目前,淺埋暗挖隧道施工方法主要有中導洞法、側(cè)導洞法及洞樁法,根據(jù)區(qū)莊站的實際情況,提出的可行施工方案有中導洞法及側(cè)導洞法,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)境復雜,故采用大管棚和格柵鋼架作超前支護。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 計算模型的建立      為降低邊界對計算結(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,計算范圍如圖2所示。其中,地表取至地面,高程為32.6m,計算模型下部高程為-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。計算模型總節(jié)點數(shù)為63336個,總單元數(shù)為58200個。初始地應力場只考慮巖

5、體自重產(chǎn)生的自重應力。管棚加固區(qū)采用提高所在土體強度的實體單元模擬,初期支護采用殼單元模擬,二次襯砌采用實體單元模擬。土體本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Couloms彈塑性模型,初期支護、二次支護采用線彈性模型。3.2 計算參數(shù)的確定      隧道所處地層由人工填土層,粉細砂層-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,硬塑或密實狀殘積土層-2,巖石全風化帶,紅層強風化帶,紅層中風化帶,紅層微風化巖組成。實際計算中所取的力學參數(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算,計算方法如式(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,中導洞和側(cè)導洞的地表最大沉降量分別為-37.98mm,-25.66mm,中導洞的沉降量較大。側(cè)導洞前期位移較大,特別是第2步和第5步開挖。因此,在開挖時,要隨時監(jiān)測圍巖收斂情況,并及時支護。3.3.2 拱頂沉降隨開挖的變化特征      從計算結(jié)果可以看

8、出,中導洞和側(cè)導洞拱頂最大沉降分別是-39.832mm,-35.03mm,側(cè)導洞沉降較小,且主要位移發(fā)生在前4步,以后趨于平緩,而中導洞后3步的位移則較大。3.3.3 初期支護的內(nèi)力特征   兩種施工方案的初期支護結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力比較如表2所示。      從表2可以看出,中導洞工法的彎矩大于側(cè)導洞工法,而軸力則小于側(cè)導洞工法。兩種工法都有一個共同的特征,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特征曲線的相互關(guān)系可知,選擇合適的支護結(jié)構(gòu)施加時間,可以減小支護的受力。如果支護結(jié)構(gòu)剛度過小或支護過遲,都會導

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現(xiàn)圍巖和支護相互作用的平衡,所需要的支護阻力是最小的,但是目前還難以獲得準確的圍巖特征曲線。因此,在施工過程中,應該加強對圍巖的監(jiān)測,以選擇合適的支護時機,從而達到減小支護結(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,并及時支護,以防圍巖變形過大而產(chǎn)生坍塌。3)從地層沉降來看,側(cè)導洞工法較小。4)從結(jié)構(gòu)受力來看,中

10、導洞彎矩較大,而側(cè)導洞軸力較大,在施工過程中要考慮支護結(jié)構(gòu)的剛度,并且選擇合適的支護時機,以減小支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。5)總的來看,對淺埋暗挖隧道施工,兩種方案都是可供選擇的方案,采用哪種方案,要根據(jù)實際情況而定。具體到本隧道,考慮到地表情況復雜,對地層的沉降必須嚴格控制,因此,側(cè)導洞法是比較合適的選擇。 參考文獻:1朱漢華,孫紅月,楊建輝.公路隧道圍巖穩(wěn)定與支護技術(shù)M.北京:科學出版社,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.地下空間與工程學報,2006,2(4):615-620.3張頂立,王夢恕,高軍,等.復雜圍巖條件下大跨隧道修建技術(shù)研究J.巖石力學與工程學報,2003,22(2):290-296.4張銀屏,雷震宇,周順華.淺埋暗挖隧道對地表變形影響的三維數(shù)值分析J.華東交通大學學報,2005,22(5):52-55.5張頂立,黃俊.地鐵隧