突变大断面地铁隧道施工的数值模拟

1、突变大断面地铁隧道施工的数值模拟     摘要根据施工过程动态规划最优化原理,以地表沉降作为目标函数,建立地铁隧道突变大断面施工过程的数学模型,寻找最优施工方法。以北京地铁五号线突变大断面为例进行研究,结果表明,数值模拟计算的地表沉降在可控范围之内,对施工起到了超前预报和预测作用。研究结果为控制地表沉降及围岩变形采用有效的施工措施提供了可靠的依据。关键词地铁隧道突变大断面施工方法数值模拟 引言      突变大断面隧道在城市地铁中较为常见,一般出现在相同区间两条平行地铁线之间的渡线处和不同地铁线

2、之间的联络线处,其特点是开挖宽度大,接口变换频繁,结构复杂多变。城市地铁一般埋深较浅,通常位于软弱、破碎、自稳时间极短的围岩中,如果施工方法不妥,极易发生岩体塌方或地表有害沉降。在综合考虑进度经济和安全等因素下,对于不同的截面,应采用不同的施工方法和支护措施。1工程及地质和水文概况      北京地铁五号线和平西桥站北土城东路站区间隧道在竖井横通道K15+060往大里程方向设置有两处大断面,其断面类型有D型、B型、E型、F型、G型、H型及J型,断面之间采用突变转换,每一断面长度基本为12m,即每隔12m要进行一次突变断面转换,左线与右线中心距1

3、4.818.8m,平面见图1。      区间隧道自南向北横穿永定河冲洪积扇,地层由上至下依次为人工堆积层、第四纪全新世冲洪积层和第四纪晚更新世冲洪积层。本区段地下水主要为上层滞水、潜水及承压水。2 隧道施工方法分析      由于突变大断面隧道在左线和右线具有相似性,建立模型时只选取左线隧道。本文重点研究F型断面、G型断面和H型断面的施工方法。2.1 施工方法      根据以往施工经验和相关文献资料1,初步确定F型断面和G型断面采用双侧壁导坑

4、法,H型断面采用三导洞法(中洞法)或两导洞法。2.2 突变断面过渡施工技术      区间左线隧道从竖井往大里程方向开挖后,须直接从小断面过渡到大断面,断面间相互错台达1.6m以上。为保证土体稳定及施工安全,采取从小断面以1:2坡度喇叭口方式扩挖至大断面,以D型断面过渡到B型断面为例,一侧错台尺寸为1.8m,最大错台为1.9m。开挖方式由短台阶法过渡为CD法,设计为超前小导管支护,为保证安全过渡到大断面,采取超前护顶稳扎稳打,步步成环的可靠施工方法。断面错台采取喇叭口扩宽顺接方式,顺接长度以最大错台长度为准按1:2坡度顺接,顺扩地段设在小断面(

5、即D型断面)内完成。待施作二次衬砌时,扩挖部分用同级二衬混凝土回填。二次衬砌内轮廓仍按台阶过渡。其横断面示意图、纵断面示意图分别见图2、图3。3 数值模拟3.1 参数选取      本文数值模拟选用的参数按地质勘察资料取用。围岩支护参数指标见表1。小导管注浆区域按加固土体来处理,模拟的工况按实际开挖和支护的过程分步进行。3.2 岩体本构模型      软弱地层的岩体一般表现出弹塑性性质,因而在研究该段地层时采用弹塑性本构模型。由于Drucker-Prager准则考虑了围岩静水压力对屈服特性的影响

6、,并且能反映剪切引起膨胀的性质,因而在模拟弹塑性岩体中被广泛应用。D-P准则形式为式(1)。      由表2可知:采用两导洞法和三导洞法其轴力和位移均小于规范允许值。但是通过对两种工法在施工期间产生的内力进行分析,可以发现:两导洞法施工中,初支最大轴力发生在右侧隧道开挖并支护后,其位置发生在联拱隧道混凝土柱与拱部相连处,因此,该工序为最不利工序;三导洞法施工中,初支最大轴力发生在拆除中导洞临时支护后,其位置发生在联拱隧道中混凝土柱与拱部相连处,因此该工序为最不利工序。两种施工方法均能保证安全,施工时特别要注意混凝土柱与拱部相连处的监测工作,但

7、两导洞法能节省22工天,临时支护工程比三导洞法少一半,因此,H型断面在实际施工时选取两导洞法作为双联拱隧道的施工方法。4 结论(1)突变大断面地铁施工,采用三维有限元数值模拟计算,可以选择最优方法施工,并确定出哪些部位是施工中的薄弱环节,起到超前预报和预测的作用。在施工过程中,应重视和关注薄弱环节,加强对这些部位的监控量测工作。      (2)在中小间距隧道的力学分析中,深入研究其施工技术是必要的,其中主要是针对施工的主要目标值进行施工方案和施工力学的优化分析。      (3)施工工况和开挖次序对围岩应力释放和支护受力会产生较大影响。分期开挖时,前期开挖断面上的位移受后期施工的影响而变化;同时,施工开挖次数与围岩的扰动有关,所以在施工条件许可的情况下,应减少开挖次数和选择较优的开挖顺序,从而错开洞室开挖的相互影响。 <BR参考文献:1吴波,高波,漆泰岳,蒋正华.城市地铁区间隧道洞群开挖顺序优化分析J.中国铁道科学,2003