重庆轻轨大坪车站隧道暗挖段施工方法数值优化分析

1、重庆轻轨大坪车站隧道暗挖段施工方法数值优化分析重庆轻轨大坪车站隧道暗挖段施工方法数值优化分析【摘要】用有限元数值分析方法计算分析了超浅埋大断 面暗挖段车站隧道的各种施工方法下的力学行为，根据计算 力新选择了合理的施工方法，施工实践证明根据这种分析选 择的施工方法是可行并可靠的。 【关键词】 大断面隧道施工方 法有限元优化分析 1 工程概况重庆轻轨大坪车站隧道暗挖段，其起讫里程为 DK7+658 20-DK7+739 50 ，全长为 81 3m ，设计纵 坡为 3%。其中 DK7+658. 20-DK7+701.00 段洞顶岩（土）体厚4- 10m，为W级围岩，成洞条件很差，为超浅埋地段；DK7

2、+701. 00 DK7+735. 00 段洞顶岩（土）体厚 10 15m , W级围岩，成洞条件差，属浅埋地段；DK7+735 00DK7+73950 段顶岩 （土）体厚 15-25m，岩层节理裂隙不发育，岩体完整性较好，为川级围岩，为浅埋地段。衬砌断面均采用大拱脚薄边墙隧道结构，边墙底部 开挖宽为 21 88m ，隧道开挖高为 17 86m ，开挖面积达 最大为 430 平方米，拱墙采用 C30 钢筋混凝土；水沟、铺 底均采用 C20 混凝土； 防水层采用 1 5mm 厚 EVA 高强度 型合成树脂防水卷材；环向施工缝采用 BW-96 型膨胀止水 条，衬砌背后设地下排水软式透水管盲沟，环向

3、盲沟采用中 50mm 、间距 8m ，纵句采用中 80mm ，左右各设 根；衬 砌初期支护：工字钢拱采用 20b 工字钢，间距为 0 5m ， 系统锚杆采用$ 25中空注浆锚杆，每根长 3 . 5m ,川类围 岩 I 砸为 1 0mxl 0m ，按梅花型布置；钢筋网采用环向 x 纵向为 +6 5x+8 钢筋，间距为 20cmx20cm ，喷射混 凝土采用 C20 混凝土。由此可见，大坪车站隧道暗挖段属于超浅埋暗挖大断面 隧道，为了确定合理的施工方法，在经验类比的基础上确定 采用分步暗挖的施工方法，为了m- 步确定各分步的先后顺序，特别是拱部开挖的顺序，以及是否用管棚进行拱部的支 护，用有限元力

4、、法进行了计算分析，得出了相对优化的施 工方法。2 数值优化分析2.1 计算工况有限元计算分成 4 种工况， 4 种工况的主要施工顺序及 步骤见图 1 。工况的不同只是拱部各部分的施工顺序和步骤不同，以及是否采用管棚。下面简述各工况的施工顺序。工况 1 ：在拱部施工支护只施作喷混凝土，而不施作锚杆和管 棚(只喷不锚 ) 。计算时模拟步骤为(1) 左右导洞 1 、1 '开挖，同时施作左右导洞 1 、1'拱 部喷混凝土及中隔壁型钢钢架喷射混凝土；(2) 中隔壁 3 开挖，中隔壁拱顶喷混凝土；(3) 拱部混凝土 5 浇注；(4) 下半断面中槽 6 开挖；图 1 车站隧道双侧壁导洞法施

5、工程序图(5) 下半断面左右侧上台阶 7、7'开挖，同时做 8、8' 喷昆凝土支护；(6) 下半断面左右侧上台阶 9、9'开挖，同时做 10、10' 啸， 8 凝土支护；(7) 浇注左右侧边墙 11、11 '混凝土。工况 2 ：在拱部施工支护施作喷混凝土和锚杆，而不沲 作管棚 (普通喷锚、无管棚 ) ：计算时模拟步骤为：(1) 施作左右导洞 1 、1 '拱部喷混凝土、锚杆，左右导 洞 1、1' 开挖，同时施作中隔壁型钢钢架喷射混凝土；(2) 中隔壁 3 开挖，中隔壁拱顶喷混凝土和锚杆；(3) 拱部混凝土 5 浇注；(4) 下半断面中槽 6

6、 开挖；(5) 下半断面左右侧上台阶 7、7'开挖，同时做 8、8' 喷混凝土支护；(6) 下半断面左右侧上台阶 9、9'开挖，同时做 10 、10 ' 喷混凝土支护；(7) 浇注左右侧边墙 11 、11 '混凝土。工况 3 ：在拱部施工支护施作喷混凝土和锚杆，并施作 管棚 (喷锚 +管棚 )：计算时模拟步骤为；(1) 左右导洞 1 、1 '开挖，同时施作左右导洞拱部喷混 凝土、锚杆和管棚及中隔壁型钢架喷射混凝土；(2) 中隔壁 3 开挖，中隔壁拱顶喷混凝土、锚杆和管棚；(3) 拱部混凝土 5 浇注；(4) 下半断面中槽 6 开挖；(5) 下半断

7、面左右侧上台阶 7、7'开挖，同时做 8、8' 喷混凝土支护；(6) 下半断面左右侧上台阶 9、9'开挖，同时做 10 、10 ' 喷混昆凝土支护；(7) 浇注左右侧边墙 11 、11 '混凝土。工况 4 ：在拱部施工支护惋作喷混凝土和锚杆，并施作管棚(喷锚+管棚)。但开挖顺序与工况 3 不同，计算时模拟步 骤为：(1) 中隔壁 3 开挖，中隔壁拱顶喷混凝土、锚杆和管棚；(2) 左右导洞 1 、1 '开挖，同时施作左右导洞拱部喷混 凝土、锚杆和管棚及中隔壁型钢钢架喷射混凝土；(3) 拱部混凝土 5 浇注；(4) 下半断面中槽 6 开挖；(5) 下

8、半断面左右侧上台阶 7、7'开挖，同时做 8、8' 喷混凝土支护；(6) 下半断面左右侧上台阶 9、9'开挖，同时做 10、10' 喷混凝土支护；(7) 浇注左右侧边墙 11 、11 '混凝土。 22 计算参数4 种工况计算均采用弹塑性平面应变模型进行计算分析， 围岩、锚固范围、管棚用平面 4 边形单元弹塑性材料模拟，采用 Drucker-Prager 屈服准则；混凝土衬砌、喷混凝土、 中隔壁型钢喷混凝土采用梁单元弹性材料模拟。围岩采用IV级围岩的参数，管棚、锚杆均根据其作用的等效原则来考虑， 即提高围岩的粘聚力和摩擦角来替代锚杆的作用，衬砌采用 C30

9、 涸疑土的材料参数， 喷混凝土采用 C20 喷混凝土的材料 参数。具体计算参数见表 1 。2.3 计算模型在计算分析中，采用一个共同的模型进行分析，不同工 况在求解过程中用不同的开挖命令流来控制。计算范围横向取开挖宽度的 5 倍。计算边界条件左右两 个侧面限制水平方向位移 （等于 0） ，界限制 Y 方向的位移 （等 于 0） 。见图 2 。计算模型及有限元网格划分见图 3 。图 2 计算模型与边界条件图 3 计算模型与网格划分3 计算结果与分析对工况 1- 工况 4 进行计算， 各种工况开挖完成后的地表 位移和拱顶下沉计算结果见表 2 。从计算结果表明： 工况 1 计算不收敛， 说明若只喷不锚， 开挖后，围岩不能稳定，所以这种施工方法最好不要选择。 工况 2 地表沉降明显比工况 3 和工况 4 大，且超过了地表沉 降的最大限值 (3cm) ，虽然能够稳定，但这种地表位移和拱 顶下沉计算结果方法也应慎重选择。工况 3 和工况 4 能够稳 定，地表沉降都较小，且小于地表沉降的最大限值 (3cm) ， 但工况 3 与工况 4 比较，工况 4 的最大地表沉降要大于工况 3，因此， 采用工况 3 的这种施工方法， 即在拱部施工支护施 作喷混凝土和锚杆， 并施作管棚 (喷锚 + 管棚 )，且先开挖两侧 导坑，这种施工方法更为合理。为了了解各步开挖的力学