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(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)洞相接的暗挖局部,單、雙層轉(zhuǎn)換,初支構(gòu)造形式和施工都很復(fù)雜。目前國內(nèi)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(dǎo)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(jìn)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(yīng)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(cè)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(gòu)造內(nèi)力應(yīng)予以重視,尤其對于中隔壁支撐及拱底襯砌的支護(hù),要及時施作拱底二次襯砌。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參考根據(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;地表沉降引言在地鐵隧道施工中,由于隧道開挖將造成土體應(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(dāng)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?qū)λ淼婪€(wěn)定及地表沉降的影響具有重要意義3。本文即對北京地鐵10號線某標(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)展了數(shù)值模擬與分析。1工程簡介北京地鐵10號線某標(biāo)段與車站構(gòu)造相聯(lián)部位設(shè)4個出入口通道,每個通道在中洞和側(cè)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(cè)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(hù)構(gòu)造厚度為300,二襯構(gòu)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(yù)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(yīng)用較多的是Pek提出的經(jīng)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(biāo),。Pek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,Sax與沉降槽體積VS滿足以下關(guān)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(zhì)中試驗,得到近似的幾何關(guān)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(jīng)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(dá)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(jìn)展模擬,其中初襯、臨時支護(hù)均用梁單元,小導(dǎo)管注漿作用通過進(jìn)步土體的彈性模量及、值來進(jìn)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(cè)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(cè)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(jìn)展第步拱部超前小導(dǎo)管注漿,臺階法開挖步土體,鋪設(shè)6-150150鋼筋網(wǎng),架格柵并作格柵鎖腳錨桿,隧道支護(hù)參數(shù)見表2,噴混凝土作初襯。然后依次進(jìn)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(jìn)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(yīng),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(jìn)展了地表豎向位移的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集,有關(guān)分步開挖

7、地表的沉降分布形態(tài)見圖4。第一步導(dǎo)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(jìn)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(dāng)?shù)诙介_挖先開挖導(dǎo)洞后地表變形的情況,開挖面上對應(yīng)的地表出現(xiàn)了18.165的隆起,與第一步開挖導(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。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.進(jìn)展第三步導(dǎo)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(dǎo)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(cè)導(dǎo)洞的開挖引起沉降槽向x軸負(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)展導(dǎo)洞的開挖;第六步導(dǎo)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(dǎo)洞偏挖時,沉降槽向未開挖一側(cè)偏移;在右側(cè)導(dǎo)洞開挖時,可以認(rèn)為開挖沉降槽是新形成的,但是新的沉降槽反映出導(dǎo)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(jìn)展控制。圖5是模擬第三步施工先開挖導(dǎo)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(dá)60,在開挖跨度3.3范圍內(nèi),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(jìn)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(jìn)展,拱頂?shù)某两抵抵饾u變?yōu)檎?與實測相符。拱頂由于小導(dǎo)管注漿加固地層,襯砌剛度比