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北京地铁十号线某近接区间隧道的施工数值模拟
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内容提示：对北京地铁10号线知学区间近距离侧穿国管局宿舍楼3种不同工法的施工过程进行了数值模拟。通过对计算结果与实测数据的比较分析,论证了施工中采取袖阀管掌子面注浆和“后CRD法”等技术措施及工法对控制地表沉降的有效作用,得到了一些有益的结论,可供类似工程参考。 【
【摘 要】 对北京地铁10号线知学区间近距离侧穿国管局宿舍楼3种不同工法的施工过程进行了数值模拟。通过对计算结果与实测数据的比较分析,论证了施工中采取袖阀管掌子面注浆和“后CRD法”等技术措施及工法对控制地表沉降的有效作用,得到了一些有益的结论,可供类似工程参考。（参考《建筑中文网》）
【关键词】 隧道施工; 有限元; 数值模拟; 区间隧道; 地表沉降
1 工程概况
知春路站~学院路站区间位于北京海淀区知春路东段,右线起讫里程:K4 570.8~K5 485.331,长度914.531m。其中K5 375.0-K5 430.0为近距离穿越国管局宿舍楼楼段。该段呈西北-东南走向,位于由直线过渡到R=350m圆曲线的缓和曲线上。隧道埋深16m。区间近距离过国管局宿舍楼楼段,右线结构南侧外缘距离楼房地下室最小水平距离约0.9m,最小垂直净距5.7m,最近点为右K5 404.001,此处区间隧道的开挖掘进属于近接施工。图1为区间结构与建筑物关系断面图。该段区间为单孔单线马蹄形隧道,处于减震段,开挖尺寸宽6.1m,高6.64m;本工程采用矿山法施工。穿越此建筑物,是本段区间的施工重点。穿越地段国管局宿舍楼实为两座楼房,竣工于1993年。一座为砖混结构条形基础,地上6层,基础埋深约2~6m,基坑施工时采用放坡开挖,无基坑围护结构。另一座为现浇混凝土结构板楼,筏板基础,地上9层,地下2层,基础埋深约6.2m,基坑施工时采用放坡开挖,无围护结构(图1)。本文采用有限元手段对区间隧道通过9层宿舍楼的情况进行了平面数值模拟。
隧道上方土层有杂填土、素填土、粉土、粉质黏土,洞身土层有粉土、粉砂、细砂,底板标高处于黏土层中。影响隧道施工的地下水是富存于洞身位置处粉土层和粉砂层中的台地潜水,其他类型地下水对隧道施工影响不大。本区段北侧是繁忙的交通主干道的交通十字路口,南侧是居民小区,因而无法采取地面降水措施,台地潜水水位下台阶中部,粉砂层含水量较为丰富。
2 工法介绍
本区段隧道由于靠近国管局宿舍楼,施工存在较大的风险,隧道工法的选择经过了如下三个阶段。
2.1 CD工法试验段施工阶段
区间隧道左线K5 360-K5 375段为CD工法试验段施工阶段。本段隧道初期支护施工于2006年3月26日开始,2006年4月4日结束,历时10天。隧道施工严格按照设计及规范要求进行,但由于本段隧道内地质情况,其下层全部为粉细砂层,而且含水丰富且本段又不具备降水条件,所以在采用CD法施工后地面沉降达到24mm,不能满足设计要求地面沉降小于20mm的控制指标,因此隧道施工工法改为采用CRD工法施工。并增加全断面袖阀管注浆、双排小导管注浆等辅助措施。
2.2 CRD工法施工阶段
CRD工法施工还是选择先在区间左线进行试验施工。当施工5m后发现,由于本隧道洞室为标准断面,采用CRD工法后4个小洞断面非常窄小,这样在施工过程中每个小洞只能最多有3个工人进行施工。施工进度非常缓慢,同时由于施工进度慢,洞室封闭时间长。所以对于地面沉降仍较大。经研究采取改进的CRD工法施工,本文称之为“后CRD”工法。
2.3 “后CRD工法”施工阶段
先采用CD工法施工,施工过程中用方木或工字钢临时替代中隔壁支护然后再施做正式的中隔壁。经过在左线试验“后CRD”工法施工,监测结果能满足设计允许范围,而且施工速度也得到提高,所以这种工法被正式确定使用。
3 数值模拟边界条件及过程
本次计算采用同济曙光有限元正分析软件进行数值分析,模型为平面模型,其网格剖分见图2。约束模型左右边界水平位移和底部边界竖向位移,上部边界为自由边界。国管局9层宿舍楼地面7层取楼层平均竖向荷载按18kN/m加载,地下两层以平面单元建模,材料取为混凝土。锚杆采用杆单元进行模拟,中隔壁、临时横撑及初次衬砌采用梁单元模拟,二次衬砌采用曙光软件内置的结合梁模拟。小导管超前支护的效果体现在拱部2m范围内预加固圈的参数适当提高,见表1材料物理力学参数表。袖阀管掌子面注浆不但可以提高掌子面的稳定性,而且对工作面周边围岩也有一定的约束作用。计算过程中采取了袖阀管掌子面注浆措施的工法(CRD法和“后CRD法”),其开挖引起的围岩应力释放率取为0.2,CD法取0.35。
4 计算结果分析
城市地铁区间隧道施工对周边环境的主要影响就是对地表沉降及周边建筑物的影响。本次计算主要研究三种工法条件下隧道开挖引起的地表沉降和建筑物位移情况。
图3为“后CRD法”施工引起的竖向位移云图,较为形象地呈现了隧道施工完成时围岩的竖向位移分布形态。计算模拟时,开挖分部是对称进行的,竖向位移整体呈近似对称漏斗状。拱顶部位竖向位移较拱腰小,说明“后CRD法”施工过程中设置临时中隔壁能有效控制拱部围岩的松弛变形,有利于抑制地表沉降的发展。同时有利于控制底鼓变形的发展。
表2为地表沉降计算值和实测值比较表。不同工法条件下地表沉降槽的分布情况见图4所示。表2中数据表明,三种工法条件下的有限元计算值与实测值比较吻合,有限元计算结果较为合理,可为复杂工程设计提供参考。从控制地表沉降的角度来说,三种工法的优劣顺序为:“后CRD法”、CRD法及CD法。CRD法地表最大沉降值比CD法减小40%,其原因有两点:(1)CRD法工序上要求分块临时横撑封闭抑制了变形的发展;(2)袖阀管掌子面注浆对抑制变形的发展发生了显著的效应。“后CRD法”最大沉降值比CRD法减小了24%,这是由于“后CRD法”施工开挖分部大,较CRD工序少,施工进度快,及时的支护封闭有效控制了围岩的变形发展,减小了对地表环境及周边建筑物的影响。因此,“后CRD法”为本工程的最优施工方法,能够满足对地表沉降控制和周边建筑物沉降控制的要求,实际施工时也正是采用了此工法。同时说明了设计过程中动态优化创新工法工艺的重要性。
5 小 结
通过对数值计算结果和实测数据的分析,可以得到以下有益的结论。
(1)通过选取适当的物理参数和合理的计算简化条件可以得到与实测值比较吻合有限元数值计算结果,有限元计算方法可以作为复杂近接施工问题分析的有效手段,其结果可作为类似工程的参考。(2)袖阀管掌子面注浆对抑制地表沉降有显著的效果,在城市浅埋隧道施工中可推广应用。(3)在本工程实施条件下,“后CRD法”为最优的施工方法。设计人员应该在设计过程中敢于创新,加深对动态设计理念的理解。
参考文献
[1]郭晓魁,李强,周雁.浅埋近接隧道施工地表沉降有限元分析[J].内蒙古公路与运输,2005(3).
[2]卿伟宸,廖红建,钱春宇.地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响[J].地下空间与工程学报,2005(6).
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200808/8895.htm
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