浅埋暗挖隧道施工性态的数值模拟与分析

1、浅埋暗挖隧道施工性态的数值模拟与分析摘要:地铁隧道施工中,隧道开挖程序、施作的步骤对隧道稳定性及地表沉降影响显著。北京地铁10号线某标段浅埋单洞双层隧道,是出入口通道与车站中洞、旁边单层侧洞相接的暗挖局部,单、双层转换,初支构造形式和施工都很复杂。目前国内外对单洞双层隧道分析较少,与车站和通道相连接的这种单洞双层隧道比拟短,对它的分析往往被无视。对采用3层6导洞的RD工法施工的这种浅埋单洞双层隧道的施工性态进展数值模拟,分析该区域隧道施工引起的地表沉降,探究一次性开挖成洞及隧道分步开挖引起的地表沉降槽的变化形态,拱顶沉降及拱顶主应力的变化规律。数值分析说明:施工工序不同使隧道的偏挖引起的沉降槽

2、向未开挖一侧偏移,此过程中地层最大沉降并不发生在隧道中线处,而是完成全部开挖,地层变形稳定后,其累计沉降最大值位于隧道中线处。隧道开挖衬砌完全施作后,地表沉降变化不大,但是后续开挖步引起的构造内力应予以重视,尤其对于中隔壁支撑及拱底衬砌的支护,要及时施作拱底二次衬砌。研究结果为单洞双层隧道分步施工控制地表变形和洞周位移提供参考根据。关键词:浅埋暗挖隧道;单洞双层;施工性态;数值模拟;地表沉降引言在地铁隧道施工中,由于隧道开挖将造成土体应力重分布,因此在一定的土体环境中,隧道的开挖方式对隧道稳定性及地表沉降影响尤为显著1。不同的施工程序,在时空上相当于荷载以不同的方式施加在隧道上2,尤其对于浅埋

3、隧道,覆土厚度较小,围岩松散,自承才能差,隧道开挖引起很大的地表沉降,往往造成周边建筑物破损、倾斜甚至倒塌。因此研究隧道施工工序对隧道稳定及地表沉降的影响具有重要意义3。本文即对北京地铁10号线某标段单洞双层通道的施工工序引起的地表沉降及拱顶沉降进展了数值模拟与分析。1工程简介北京地铁10号线某标段与车站构造相联部位设4个出入口通道,每个通道在中洞和侧洞之间的局部为单洞双层通道,其余局部为单层通道,均采用暗挖法施工。东南和东北出入口通道,中洞和侧洞之间双层局部长度为6.94,双层通道的开挖尺寸宽高为660012000,初期支护构造厚度为300,二衬构造厚度为500,二衬净空尺寸宽高为50001

4、0100。见图1,土层参数见表1。2地表变形分析2.1地表沉降理论分析预测地面沉降量及影响范围的常用的方法有边界元法、有限元法、根据实测数据的统计方法等。其中应用较多的是Pek提出的经历公式3:式中:S(x)为间隔 隧道中线x处的地面沉降量,;S(ax)为隧道中线x=0处的地面沉降量,;x为距隧道中线的间隔 ,;i为沉降槽的宽度系数,即沉陷曲线反弯点的横坐标,。Pek假定横向沉陷曲线为正态分布曲线。当横向沉陷曲线为正态分布曲线时,Sax与沉降槽体积VS满足以下关系:沉降槽的宽度系数i取决于接近地表的强度,隧道埋深和隧道半径。通过在均匀介质中试验,得到近似的几何关系是:式中:Z为隧道开挖面中心至

5、地面的间隔 ,;R为隧道半径,;K,n为试验系数,K=0.630.82,n=0.360.97。由以上经历理论可知,地层沉降沿深度在任一横断面呈正态分布,最大沉降位于隧道中心位置处,随着隧道埋深Z的不断增加,地表最大沉降值也不断增大,在隧道拱顶位置处沉降值到达最大。2.2数值模拟本文分析采用了hr-ulb塑性模型4,有限差分计算方法对单洞双层隧道开挖过程进展模拟,其中初衬、临时支护均用梁单元,小导管注浆作用通过进步土体的弹性模量及、值来进展模拟。目前世界上单洞双层隧道并不多见,但是在隧道的出入口与车站中洞与侧洞相连的部位,单洞双层通道较多,只是长度较短,施工往往被无视。而此处恰是车站与侧洞单洞单

6、层通道的过渡,对它施工所引起的地层扰动,直接影响到测洞和车站的施工。本文完全模拟了双层通道施工的动态过程,先进展第步拱部超前小导管注浆,台阶法开挖步土体,铺设6-150150钢筋网,架格栅并作格栅锁脚锚杆,隧道支护参数见表2,喷混凝土作初衬。然后依次进展第步的施工,见图2。2.3分部开挖引起的地表沉降分析在进展分步开挖计算时,取隧道中线为零点,开挖程度影响范围约为隧道跨度的15倍,以减小模型的边界约束效应,使模型更能真实地反映开挖引起的沉降,竖向影响范围为隧道开挖深度的5倍,建立了10060的网格5-6,见图3,以隧道中心点为对称点对地表18个点进展了地表竖向位移的监测和数据采集,有关分步开挖

7、地表的沉降分布形态见图4。第一步导洞开挖,地表最大沉降量模拟计算值为36,地表沉降呈正态分布,现场实测最大沉降量为34.65,第二步开挖地表模拟计算值最大沉降量为38.149,实测值为37.7,沉降槽的宽度没有变化,程度影响范围也没有增加,在-40+40处沉降曲线几乎重合,说明随着隧道进一步开挖,地表沉降曲线沉降槽的宽度没有变化,沉降量略有增加。本文也模拟了当第二步开挖先开挖导洞后地表变形的情况,开挖面上对应的地表出现了18.165的隆起,与第一步开挖导洞地层的变形完全相反,沉降槽的宽度也明显增加,不利于地层的稳定沉降。转贴于论文联盟.ll.进展第三步导洞的开挖后,地表最大沉降发生在间隔 隧道

8、中线-2.45处,沉降量为20.637,沉降槽右移;第四步导洞开挖完成后,地表的最大变形发生在间隔 隧道中线12.4处,隆起量为10.55,同时在间隔 隧道中线-17.4处发生了7.436的地表最大沉降,沉降曲线说明右侧导洞的开挖引起沉降槽向x轴负方向挪动,但并不是简单的平移,以隧道中心线为中心040之间的地表均有不同程度的隆起,大于20的范围地表沉降的趋势与导洞开挖地表沉降的趋势一致,沉降槽的最低点在中心线附近,沉降曲线说明地层变形很平缓。说明该施工过程有利于地表沉降的控制。第五步导洞开挖后,地表最大变形发生在间隔 隧道中线7.44处,最大沉降量为45.759,最大隆起发生在间隔 隧道中线-

9、22.4处,隆起值为7.08,沉降槽的宽度比第一步、第二步开挖时沉降槽的宽度增加20%左右,并且沉降槽偏移,与实际施工性态相符,此时正是进展导洞的开挖;第六步导洞开挖,隧道中心点附近-2.45处地表发生37.596的沉降,最大隆起发生在间隔 隧道中线-22.4处,隆起值为11.03,沉降槽的宽度有所收敛,比第一步、第二步开挖的沉降槽宽度减小5%左右,并且沉降槽向隧道中线偏移,此时单洞双层隧道开挖完毕。从以上数值分析,可以看出分步施工中,隧道先期导洞偏挖时,沉降槽向未开挖一侧偏移;在右侧导洞开挖时,可以认为开挖沉降槽是新形成的,但是新的沉降槽反映出导洞开挖对地层的扰动没有初始开挖对地层的扰动大,并且新的沉降槽是受先期地层沉降影响的,有利于对施工引起的地表沉降进展控制。图5是模拟第三步施工先开挖导洞引起的地表沉降曲线,随着隧道开挖深度的增加,地表沉降继续开展,最大沉降量达60,在开挖跨度3.3范围内,地表沉降均在60左右,说明此时衬砌受到的围岩压力很大,沉降槽的宽度收敛,说明沉降槽的宽度与形状受隧道开挖面的形状影响较大。在开挖过程中,拱顶的沉降见图6,随着施工步的进展,拱顶的沉降呈线性,但是间隔 隧道中线-3的拱顶沉降变化很小,随着施工步的进展,拱顶的沉降值逐渐变为正值,与实测相符。拱顶由于小导管注浆加固地层,衬砌刚度比