地鐵淺埋暗挖驗證的數值分析范文

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《北方交通》2014年第五期

1計算方案

(1)隧道模擬方案計算模型為單洞馬蹄形三維模型，采用摩爾－庫倫準則。采用和實際工程現場臺階長度和開挖循環步驟一致的開挖方案，開挖進尺是本方案主要研究的影響因素，分別計算了2m、2.5m、3m開挖循環進尺的隧道圍巖應力場和位移場。(2)模型邊界條件計算模型主要為了分析開挖過程對圍巖土體的擾動影響范圍，不同的開挖進尺因擾動圍巖而引起的隧道拱頂沉降和隧道水平收斂位移的不同變化趨勢，反映到土體表面就是地表的沉降規律。根據本工程的實際情況，選取30m區間隧道(K0+140.6805～K0+170.6805)作為計算模型的范圍。對平行隧道模型前進方向的兩側面施加滑動約束，限制水平位移，對模型下部底面施加固定約束，限制水平和豎向位移，為了計算地層的沉降位移，地表設為自由邊界。(3)隧道模型網格和單元類型在隧道模型中，圍巖中土體和襯砌全都選用C3D8R單元(C3D8R單元為線性縮減積分單元)，此單元可以控制位移結果的精確度;隧道模型中，利用掃掠網格技術模擬被挖掉的土體和襯砌，其它部分采用結構網格技術，在劃分網格時選用中性軸算法和最小化網格過度，目的在于提高網格的質量，計算模型網格劃分見圖1。

2隧道開挖圍巖位移結果分析

該市地鐵隧道處于砂土地層中，對于此隧道施工開挖方法，一般采用臺階法和分部開挖法，對于土質隧道來說，隧道開挖進尺對圍巖土體和地表的沉降具有相當大的影響。因本施工標段是在降水條件下進行的，所以隧道模擬過程中只考慮了自重應力，對于開挖施工中的其他荷載，比如超前注漿的壓應力均不再考慮進來。

2.1隧道開挖拱頂沉降位移計算結果分析表1中H表示研究斷面與開挖面的間距，取模型中的某個斷面(K0+150.6805)的計算結果作為研究對象，從表1計算結果來看，表中2.0m、2.5m及3.0m開挖進尺的計算結果表明，本研究中所取研究斷面處的拱頂沉降量，隨著開挖面的向前推進而不斷增大。總體變形特征如下，當研究斷面距離開挖面10m時，達到了沉降的最大值，當研究斷面距離開挖面10～15m時，拱頂沉降減小，這和隧道土體開挖后的應力重分布有關，當研究斷面在15～20m時拱頂沉降逐漸趨于穩定。由表1數據的發展態勢來看，圍巖土體拱頂沉降在開挖步由2m加快到2.5m時將提高7.5%，在開挖步由2.5m加快到3m時將提高3%左右，如果開挖步由2m直接加快到3m時，拱頂沉降有可能提高11%左右，這種施工方案存在很大的安全隱患。可見，在采取相關措施的條件下，對于3m開挖步的快速施工循環進尺在砂土質地層中是否可行，有待進一步驗證。對于有嚴格工期要求的項目來說，可采取超前加固措施，來滿足施工中拱頂沉降位移的要求。

2.2隧道開挖洞周圍巖水平收斂計算結果分析表2中“+”表示向洞外變形，“－”表示向洞內變形，H表示研究斷面與開挖面的間距。由表2中計算數據可知，對比三個不同的開挖步，可以總結出不同的水平位移變化特征如下:上拱處，當開挖步由2m加快到2.5m時，圍巖土體水平位移向洞內的變形增加了19%左右，當開挖步由2.5m加快到3m時，圍巖土體水平位移向洞內增加了12%左右;拱腰處，當開挖步由2m加快到2.5m時，圍巖土體水平位移向洞內增加了13%左右，當開挖步由2.5m加快到3m時，圍巖土體水平位移向洞內增加了34%左右;仰拱處，當開挖步由2m加快到2.5m時，圍巖土體水平位移向洞內增加了2倍，當開挖步由2.5m加快到3m時，圍巖土體水平位移向洞內增加了2.5倍;以上變化特征說明隨著開挖步的增大，圍巖土體向洞內變形的概率將會增加很多，施工時要采取加入鎖腳錨桿的措施，防止水平收斂位移向洞內變形過大而超過施工規范要求。

2.3圍巖應力計算結果分析分析隧道圍巖土體在不同循環開挖進尺下的豎向應力隨著開挖進尺的增大，其應力變化的幅度范圍，計算模型在開挖過程中只存在土體自重，注漿應力等其他施工荷載的影響均不考慮。由圖2隧道圍巖土體的應力云圖可知，對于S33方向的豎向受力，主要分析2m、2.5m、3m開挖步在拱頂處的豎向應力值分別為82kPa、107kPa、114kPa，方向向下，當開挖步由2m加快到2.5m，豎向應力增大了30%左右，當開挖步由2.5m加快到3m時，豎向應力增大了7%左右，為滿足施工的要求，在隧道開挖前將對土層進行超前加固來防止隧道拱頂沉降過大。

2.4快速開挖進尺可行驗證綜合以上拱頂沉降位移、水平收斂及圍巖的應力三個方面的結果，對不同的開挖循環步計算結果進行分析，對于3m開挖步的計算結果都是非常不利的，3m開挖循環進尺是否適合砂土層的地質狀況，取三維模型中的K0+155.6805斷面作為研究對象對快速施工開挖的可行性進行驗證。計算結果見表3。表3圍巖拱頂沉降及拱腰收斂的位移計算結果表(單位:mm)與掌子面間距/m正常開挖加固后開挖拱頂沉降拱腰收斂拱頂沉降拱腰收斂000001－2.136530.2080－2.07518－0.13815－2.34168－0.7092－2.3352－0.756410－2.37042－1.0381－2.36251－1.073215－2.30109－1.0855－2.27025－1.1192對表3中計算數據結果進行研究分析，在采取加固措施后，隧道開挖的圍巖拱頂沉降和拱腰水平收斂位移都減小了，且隧道拱腰水平收斂趨勢都是向洞內發展，拱頂沉降位移和水平收斂位移都在20mm的可控制范圍之內，可見隧道在采取相關的加固措施后3m開挖循環進尺在砂土地層中是可行的，從而驗證了隧道快速開挖的可行性。

3結語

按隧道開挖進尺增大步序0.5m進行有限元數值計算，結果表明:隧道圍巖的拱頂沉降和水平收斂隨循環進尺的增大而增加，為防止隧道拱頂沉降、水平收斂及拱頂豎向應力過大，要求在隧道開挖前采取超前加固滿足安全施工要求;在砂土質地層中，采取超前加固措施的條件下，采用循環進尺3m進行快速開挖具有可行性，此可行性已在該市經實踐驗證。

作者：鄭繼強單位：四川建筑職業技術學院