大斷面淺埋暗挖隧道施工過程數(shù)值模擬

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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(dǎo)洞法和側(cè)導(dǎo)洞法兩種施工方案的動態(tài)施工力學(xué)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?！　￡P(guān)鍵詞:大跨隧道,淺埋暗挖法,數(shù)值模擬1　工程概況廣州地鐵五、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2

2、4.208m,總高度為16.932m,拱頂覆土厚度為14.7m~16.8m,斷面面積為410m2。車站隧道圍巖分級為Ⅱ級,Ⅲ級圍巖,主要穿越殘積土、全風(fēng)化帶、強風(fēng)化帶,圍巖條件較差,遇水易軟化。該大跨度隧道所處地段位于鬧市區(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(dǎo)洞法、側(cè)導(dǎo)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(dǎo)洞法及側(cè)導(dǎo)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(fù)雜,故采用大管棚和格柵鋼架作超前支護。大管棚用Φ108mm熱軋無

3、縫鋼管,每節(jié)長度為8m,環(huán)向間距300mm,縱向間距5m。小導(dǎo)管用Φ32mm,長4m鋼管,環(huán)向間距30mm,縱向間距2.5m。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Ф8×Ф8200mm×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6

4、3336個,總單元數(shù)為58200個。初始地應(yīng)力場只考慮巖體自重產(chǎn)生的自重應(yīng)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①,粉細砂層③-1,沖積~洪積土層④-1,河湖相淤泥質(zhì)土層④-2,坡積土層④-3,可塑或稍密~中密狀殘積土層⑤-1,硬塑或密實狀殘積土層⑤-2,巖石全風(fēng)化帶⑥,紅層強風(fēng)化帶⑦,紅層中風(fēng)化帶⑧,紅層微風(fēng)化巖⑨組成。實際計算中所取的力學(xué)參數(shù)見表1。鋼拱架等作用采用等效法予以

5、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)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(dǎo)洞和側(cè)導(dǎo)洞的地表最大沉降量分別為-37.98mm,-25.66mm,中導(dǎo)洞的沉降量較大。側(cè)導(dǎo)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

6、計算結(jié)果可以看出,中導(dǎo)洞和側(cè)導(dǎo)洞拱頂最大沉降分別是-39.832mm,-35.03mm,側(cè)導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)洞工法的彎矩大于側(cè)導(dǎo)洞工法,而軸力則小于側(cè)導(dǎo)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(dǎo)致圍巖產(chǎn)生較大變形,甚至坍塌。理論上,在圍巖特征

7、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(yīng)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(dǎo)洞工法較小。4)從結(jié)構(gòu)受力來看,中導(dǎo)洞彎矩較大,而側(cè)導(dǎo)洞軸力較大,在施工過程中要考慮支護結(jié)構(gòu)的剛度