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大断面浅埋暗挖隧道施工过程数值模拟
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内容提示：结合广州地铁五、六号线区庄换乘地铁车站大跨隧道的施工,通过数值模拟,对拟定的中导洞法和侧导洞法两种施工方案的动态施工力学过程进行模拟分析,通过计算结果的比较,为隧道的设计和施工方案的确定提供参考。
摘 要:结合广州地铁五、六号线区庄换乘地铁车站大跨隧道的施工,通过数值模拟,对拟定的中导洞法和侧导洞法两种施工方案的动态施工力学过程进行模拟分析,通过计算结果的比较,为隧道的设计和施工方案的确定提供参考。（参考《建筑中文网》）
关键词:大跨隧道,浅埋暗挖法,数值模拟
1 工程概况
广州地铁五、六号线区庄换乘站位于农林下路和环市路的交汇处,五号线主体位于环市东路下方,线路方向沿环市路方向;六号线主体隧道位于农林下路下方。主体隧道断面分为A,B,C三种断面,其中南站厅段为A型断面,为文中重点研究的断面。A型断面为三联拱,二柱二层三跨,长度为62m,断面总宽度为24.208m,总高度为16.932m,拱顶覆土厚度为14.7m~16.8m,断面面积为410m2。
车站隧道围岩分级为Ⅱ级,Ⅲ级围岩,主要穿越残积土、全风化带、强风化带,围岩条件较差,遇水易软化。该大跨度隧道所处地段位于闹市区繁华地段,地面交通繁忙,高楼林立,地下管线较多,因此对于地层的沉降必须严格控制。
2 施工方案研究
目前,浅埋暗挖隧道施工方法主要有中导洞法、侧导洞法及洞桩法,根据区庄站的实际情况,提出的可行施工方案有中导洞法及侧导洞法,两种开挖方法及开挖步骤见图1。
考虑到隧道跨度大、埋深浅,且地面环境复杂,故采用大管棚和格栅钢架作超前支护。大管棚用Φ108mm热轧无缝钢管,每节长度为8m,环向间距300mm,纵向间距5m。小导管用Φ32mm,
长4m钢管,环向间距30mm,纵向间距2.5m。格栅钢架纵向间距0.5m。格栅钢架与初喷混凝土间铺设双层Ф8×Ф8@200mm×200mm钢筋网。
3 数值模拟分析
3.1 计算模型的建立
为降低边界对计算结果的影响程度,模型左右两侧大于车站断面跨度的3倍,模型底部也大于车站断面高度的3倍,计算范围如图2所示。其中,地表取至地面,高程为32.6m,计算模型下部高程为-80.0m,模型左右长度为100m。采用位移边界条件,固定模型左右两边界的横向位移,底边界的竖向位移。车站地表是马路。计算模型总节点数为63336个,总单元数为58200个。初始地应力场只考虑岩体自重产生的自重应力。管棚加固区采用提高所在土体强度的实体单元模拟,初期支护采用壳单元模拟,二次衬砌采用实体单元模拟。土体本构关系采用Mohr-Couloms弹塑性模型,初期支护、二次支护采用线弹性模型。
3.2 计算参数的确定
隧道所处地层由人工填土层①,粉细砂层③-1,冲积~洪积土层④-1,河湖相淤泥质土层④-2,坡积土层④-3,可塑或稍密~中密状残积土层⑤-1,硬塑或密实状残积土层⑤-2,岩石全风化带⑥,红层强风化带⑦,红层中风化带⑧,红层微风化岩⑨组成。实际计算中所取的力学参数见表1。
钢拱架等作用采用等效法予以考虑,即将钢拱架弹性模量折算给喷混凝土计算,计算方法如式(1):
其中,E为折算后混凝土弹模;E0为原混凝土弹模;Sg为钢拱架截面积;Eg为钢材弹模;Sc为混凝土截面积。
3.3.1 地面横向沉降特征
两种施工方案的地表沉降曲线如图3,图4所示。
从图3,图4可以看出,地表横向沉降规律基本相似,符合peck沉降公式。沉降槽宽度约为40m,中导洞和侧导洞的地表最大沉降量分别为-37.98mm,-25.66mm,中导洞的沉降量较大。侧导洞前期位移较大,特别是第2步和第5步开挖。因此,在开挖时,要随时监测围岩收敛情况,并及时支护。
3.3.2 拱顶沉降随开挖的变化特征
从计算结果可以看出,中导洞和侧导洞拱顶最大沉降分别是-39.832mm,-35.03mm,侧导洞沉降较小,且主要位移发生在前4步,以后趋于平缓,而中导洞后3步的位移则较大。
3.3.3 初期支护的内力特征
两种施工方案的初期支护结构最大内力比较如表2所示。
从表2可以看出,中导洞工法的弯矩大于侧导洞工法,而轴力则小于侧导洞工法。两种工法都有一个共同的特征,即两边拱肩和拱脚处,内力都比较大,特别是拱肩。从围岩特征曲线和支护特征曲线的相互关系可知,选择合适的支护结构施加时间,可以减小支护的受力。如果支护结构刚度过小或支护过迟,都会导致围岩产生较大变形,甚至坍塌。理论上,在围岩特征曲线的最低处实现围岩和支护相互作用的平衡,所需要的支护阻力是最小的,但是目前还难以获得准确的围岩特征曲线。因此,在施工过程中,应该加强对围岩的监测,以选择合适的支护时机,从而达到减小支护结构内力的目的。
4 结语
1)隧道表面的横向沉降主要集中在隧道轴线的左右10m范围内,即沉降槽宽度大约为20m,两边则受影响较小,基本符合peck公式。2)开挖初期围岩沉降较大,因此,在开挖过程中,要注意监测,并及时支护,以防围岩变形过大而产生坍塌。3)从地层沉降来看,侧导洞工法较小。4)从结构受力来看,中导洞弯矩较大,而侧导洞轴力较大,在施工过程中要考虑支护结构的刚度,并且选择合适的支护时机,以减小支护结构的内力。5)总的来看,对浅埋暗挖隧道施工,两种方案都是可供选择的方案,采用哪种方案,要根据实际情况而定。具体到本隧道,考虑到地表情况复杂,对地层的沉降必须严格控制,因此,侧导洞法是比较合适的选择。
参考文献:
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原文网址：http://www.pipcn.com/research/200808/8898.htm
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