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隧道開(kāi)挖步距對(duì)地層位移影響研究

隧道開(kāi)挖步距對(duì)地層位移影響研究李東勇徐禎祥摘要:以深圳地鐵暗挖隧道施工資料為根基,利用三維模擬程序?qū)Π低谒淼朗┕み^(guò)程及支護(hù)布局舉行了模擬。對(duì)于噴射混凝土和格柵鋼架組成的隧道初支系統(tǒng),考慮了噴射混凝土的時(shí)間效應(yīng)及格柵鋼架與噴射混凝土的不同剛度。在模擬過(guò)程中,了不同開(kāi)挖步距對(duì)地層位移的。從分析結(jié)果可以得出,隧道拱頂沉降和地表沉降隨著開(kāi)挖步距增加而增大,其沉降與開(kāi)挖步距近似按照二次多項(xiàng)式的函數(shù)關(guān)系。

分析研究影響規(guī)律;

1概述;

在淺埋暗挖隧道施工過(guò)程中,工作面的開(kāi)挖步距往往是依據(jù)工程類(lèi)比法等閱歷選取的[1],雖然工程類(lèi)比法有確定的合理性,但是由于缺乏對(duì)實(shí)際地層條件的把握,無(wú)法對(duì)開(kāi)挖步距做出實(shí)時(shí)切實(shí)的選擇和調(diào)整。開(kāi)挖步距過(guò)小,使施工中的開(kāi)挖與支護(hù)工序轉(zhuǎn)換頻繁,不利于快速施工,而且要使用好多的鋼拱架,造成材料的濫用;

開(kāi)挖步距過(guò)大,空頂時(shí)間較長(zhǎng),又輕易造成很大的圍巖變形,不利于工作面的穩(wěn)定,對(duì)周邊環(huán)境造成不良影響。因此,如何選取合理的開(kāi)挖步距,既能得志快速施工的要求,又不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成太大的影響,是一個(gè)值得探討的。

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本文試圖通過(guò)數(shù)值模擬的方法,對(duì)深圳地鐵薄弱地層暗挖隧道的開(kāi)挖步距舉行的研究,從而為合理開(kāi)挖步距的選擇供給科學(xué)的依據(jù)。

2數(shù)值模擬概況2.1軟件簡(jiǎn)介;

數(shù)值模擬軟件采用國(guó)際上出名的巖土工程計(jì)算軟件FLAC-3D,與其他的有限元計(jì)算軟件相比,該軟件具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)采用了顯式有限差分格式來(lái)求解場(chǎng)的操縱微分方程,并混合單元離散模型,可以切實(shí)地模擬材料的屈服塑性流動(dòng)、軟化直至大變形,尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過(guò)程等領(lǐng)域有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。(2)計(jì)算過(guò)程中不必形成與有限元程序那樣的整體剛度矩陣,每一步計(jì)算所需要的計(jì)算機(jī)內(nèi)存很小,基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維問(wèn)題,并且解決問(wèn)題的速度大大提高。

2.2計(jì)算模型;

(1)本構(gòu)模型的選取;

本文數(shù)值計(jì)算選用Mohr-Coulomb模型。Mohr-Coulomb彈塑性模型作為一種傳統(tǒng)的彈塑性力學(xué)本構(gòu)模型得到了工程界的廣泛應(yīng)用,該破壞準(zhǔn)那么與巖石材料測(cè)驗(yàn)結(jié)果分外接近,其反映的巖土材料破壞特征與材料的實(shí)際破壞處境符合。Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)那么即:方法問(wèn)題科學(xué)計(jì)算應(yīng)用;

(2)地質(zhì)條件;

本文以深圳地鐵世界之窗站至白石洲站淺埋暗挖地鐵隧道地質(zhì)條件為基礎(chǔ),圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

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(3)地應(yīng)力條件;

建立原始地層模型,四周施加水平位移邊界約束條件,頂部為自由邊界,底部為固定垂直邊界。在重力條件下計(jì)算至初始平衡,模擬原始地層應(yīng)力。

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(4)模型的建立;

地鐵隧道為馬蹄形,凈寬5.1m,凈高5.4m,初支為格柵鋼架和C20噴射混凝土,厚0.3m,鋼架間距為0.8m。二襯為C30鋼筋混凝土,厚0.3m。取水平方向?yàn)閄,垂直方向?yàn)閅,隧道軸線方向?yàn)閆?？紤]隧道開(kāi)挖的影響范圍及開(kāi)挖隧道的對(duì)稱(chēng)性,計(jì)算范圍為開(kāi)挖隧道的一半作為計(jì)算對(duì)象,取X×Y×Z=25m×20m×30m。在上述區(qū)域內(nèi)劃分三維有限差分網(wǎng)格。整個(gè)模型劃分為49830節(jié)點(diǎn),44250個(gè)單元。模型的三維尺寸、網(wǎng)格劃分和邊界條件如圖1所示。

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(5)初期支護(hù)模擬;

在大量隧道數(shù)值模擬中[2,3,4],初支系統(tǒng)一般模擬為C20混凝土,其彈性模量、泊松比等參數(shù)采用普遍混凝土的力學(xué)參數(shù)。但是,噴射混凝土與一般混凝土相比,有著不同的力學(xué)特性。一般噴射混凝土的彈性模量比普遍混凝土低,塑性較好[5,6,7]。而采用28d齡期的混凝土強(qiáng)度不符合混凝土強(qiáng)度的時(shí)間效應(yīng)。

在工作面開(kāi)挖的初期階段,噴射混凝土不能實(shí)時(shí)供給支護(hù)力。只有在施工一段時(shí)間后,隨著時(shí)間的推移,推進(jìn)距離的增加,噴射混凝土逐步硬化,才對(duì)圍巖開(kāi)頭供給支護(hù)力。

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本文主要研究不同開(kāi)挖步距對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。地鐵隧道的施工速度按每天一個(gè)循環(huán),即每天開(kāi)挖、支護(hù)0.4、0.6、0.8、1.0、1.2m。本文考慮了噴射混凝土的時(shí)間效應(yīng),將不同齡期噴射混凝土的強(qiáng)度按照實(shí)際的施工過(guò)程舉行模擬,對(duì)噴射混凝土采用Mohr-Coulomb模型。參數(shù)見(jiàn)表2。

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對(duì)鋼架部位的模擬適當(dāng)?shù)乜紤]了拱架的大剛度特性。即對(duì)拱架部位的噴射混凝土和鋼材按照鋼筋混凝土的配筋率舉行體積模量和剪切模量的折算。在對(duì)鋼架部位模擬時(shí),不考慮鋼架部位的破壞,采用彈性模型舉行模擬。

2.3施工過(guò)程模擬;

第一步,先將隧道開(kāi)挖成臺(tái)階狀,施加初始支護(hù)后,計(jì)算至平衡,作為開(kāi)挖的初始狀態(tài)。其次步,按照實(shí)際的施工過(guò)程,舉行隧道上下臺(tái)階的開(kāi)挖。第三步,實(shí)時(shí)地對(duì)開(kāi)挖的隧道舉行支護(hù),噴射混凝土按照實(shí)際的施工時(shí)間模擬齡期強(qiáng)度。并計(jì)算至平衡。然后舉行下一個(gè)開(kāi)挖步驟。

3模擬結(jié)果及分析3.1步距0.8m地表及拱頂沉降規(guī)律;

圖2為隧道掘進(jìn)過(guò)程中地表沉降規(guī)律曲線,圖3為拱頂沉降規(guī)律曲線。

由圖2可以看出,隧道的開(kāi)挖對(duì)地表沉降影響較大的范圍為工作面前方和工作面后面各1.5倍洞徑,變形穩(wěn)定后地表沉降為76.05mm。由圖3可知,拱頂沉降速率較大的范圍為工作面前方0.5倍洞徑至后面0.5倍洞徑,變形穩(wěn)定后拱頂沉降為122.7mm,在格柵鋼架成環(huán)閉合以后,以及隨著噴射混凝土強(qiáng)度的提高,初支系統(tǒng)供給了足夠的支護(hù)抗力,隧道圍巖變形趨于穩(wěn)定。

3.2步距0.8m隧道橫斷面地表位移;

圖4為隧道圍巖變形穩(wěn)定后的橫斷面地表位移曲線。由圖中可以看出,隧道開(kāi)挖時(shí)的地表形成一個(gè)沉降槽,沉降槽的中心位于隧道的軸線位置。地表最大水平位移展現(xiàn)在距離隧道軸線1倍洞徑的位置,為24.67mm。

規(guī)律3.3不同步距對(duì)拱頂及地表沉降規(guī)律;

圖5為隧道不同開(kāi)挖步距對(duì)最終地表沉降的影響規(guī)律曲線。從圖中可以看出,隨著開(kāi)挖步距的增加,地表沉降逐步增大。對(duì)該曲線采用非線性回歸可得:ys=-32.339x2-5.3921x-51.256(3)影響;

式中:ys為變形穩(wěn)定后的地表沉降值(mm);

x為開(kāi)挖步距(m);

相關(guān)性系數(shù)R=0.9998。

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圖6為隧道不同開(kāi)挖步距對(duì)最終拱頂沉降的影響規(guī)律曲線。隨著開(kāi)挖步距的增加,拱頂沉降也在增加。尤其是當(dāng)開(kāi)挖步距超過(guò)0.6m后,拱頂沉降急劇增加。對(duì)該曲線采用非線性回歸可得:yvs=-172.21x2+132.2x-118.5(4);

式中:yvs為變形穩(wěn)定后的拱頂沉降值(mm);

x為隧道開(kāi)采步距(m);

相關(guān)性系數(shù)R=0.9994。

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圖7為不同開(kāi)挖步距對(duì)隧道橫斷面地表最大水平位移的影響規(guī)律曲線。

由圖可知,地表的水平位移隨著開(kāi)挖步距的增加而增大。對(duì)該曲線采用非線性回歸可得:yd=10.857x2+0.4686x+17.386(5);

式中:yd為變形穩(wěn)定后的地表最大水平位移值(mm);x為開(kāi)采步距(m);

相關(guān)性系數(shù)R=0.9998。

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由以上曲線可得,該區(qū)間選用每0.6m設(shè)一榀鋼架是較為適合的。這樣就能夠在保證工作面土體穩(wěn)定的處境下,得志快速施工的要求。

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分析開(kāi)挖步距影響地層位移的理由可知:(1)開(kāi)挖步距增加,空頂距和空頂時(shí)間增大,拱頂不能得到實(shí)時(shí)的支護(hù),使得拱頂沉降增加,從而導(dǎo)致地表沉降增大。(2)開(kāi)挖步距的增加使格柵鋼架距離增加,鋼架距離的增加使得隧道初支襯砌剛度急劇減小,導(dǎo)致抗?fàn)巼鷰r變形的才能降低,使圍巖變形增大,拱頂和地表沉降增大。

4結(jié)論;

(1)由以上分析可知,由于時(shí)間效應(yīng),噴射混凝土并不能實(shí)時(shí)對(duì)圍巖供給支護(hù)抗力。開(kāi)挖初期的圍巖應(yīng)力主要是作用在格柵鋼架上,由大剛度的鋼架來(lái)阻止圍巖的變形。地表沉降規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)根本相符。地表沉降在工作面前后各1.5倍洞徑范圍內(nèi)變化較快,超過(guò)該影響范圍后,地表沉降變化趨于穩(wěn)定。

拱頂沉降在工作面的位置沉降速度很大,在下導(dǎo)坑開(kāi)挖完畢,鋼拱架成環(huán)以后,拱頂沉降逐步穩(wěn)定,不再。因此,保證暗挖隧道的正常循環(huán)作業(yè),實(shí)時(shí)地對(duì)格柵鋼架成環(huán),對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性有著極其重要的意義。

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(2)隧道的開(kāi)挖步距對(duì)拱頂及其地表的變形有著較大的影響,隨著開(kāi)挖步距的增大,拱頂和地表的變形增大速度很快。其空頂距、空頂時(shí)間和襯砌剛度的降低是導(dǎo)致變形增加的主要因素。

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(3)由于本文的數(shù)值模擬采用的地質(zhì)條件來(lái)源于深圳地鐵的一個(gè)區(qū)間,以上得出的擬合公式只適用于該地質(zhì)條件。不同的地質(zhì)條件,地層的位移特性與開(kāi)挖步距具有不同的函數(shù)關(guān)系。

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(4)采用數(shù)值模擬的對(duì)地下工程的施工舉行的,可以得出相關(guān)的規(guī)律,來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐,從而可以制止施工過(guò)程的盲目性。

;:分析進(jìn)展方法科學(xué)研究參考文獻(xiàn)[1]王夢(mèng)恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].合肥:安徽出版社,2022.[2]李振東,李輝,王健.地鐵隧道支護(hù)系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究[J].地下空間,2022,24(1):19-23.[3]劉和清.地鐵暗挖隧道初期支護(hù)布局作用機(jī)理的數(shù)值解析[J].鐵道勘察,2022,(5):9-11.[4]李宏建,趙玉成,王景春.北京地鐵暗挖區(qū)間隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬