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突变大断面地铁隧道施工的数值模拟
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内容提示： 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。
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。（参考《建筑中文网》）
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14.8~18.8m,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(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。
2.3 双连拱隧道转入标准断面施工技术
2.3.1 双连拱隧道原设计施工方案
左线隧道在H型截面施工时需要进行工法转换,由双连拱隧道转入标准断面。采用三洞法施工,首先施工中洞,然后施工左右侧隧道洞室,将其中心混凝土柱作为两侧隧道边墙的一部份。其施工断面见图4。该种设计的优点是混凝土柱有足够的宽度,开挖两侧隧道时较稳定;缺点是施工过程中须在混凝土柱顶预留防水层与两侧隧道施工防水层搭接,由于防水层已预先埋设在喷射混凝土里面,两侧隧道施工防水层时要把预留的防水层弄出来与其连接,防水层容易遭到破坏。
优化设计是将双连拱隧道中洞法施工的三洞改为双洞,见图5。经过优化设计后,原中洞法三洞改为双洞,其混凝土柱仅作为置换中间部分土体,两侧隧道边墙单独施作,施工时可根据需要增设临时仰拱。这种设计的优势在于防水层施作的整体性好,有利于隧道防水;缺点是混凝土柱的宽度可能不足,导致稳定性不够。一般可根据情况在一侧隧道施做二次衬砌的同时,在另一侧隧道加设支撑,以保证混凝土柱稳定。
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,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)。
式中 I1为应力张量第一不变量;J2为应力偏张量第二不变量;c为围岩粘聚力;φ为围岩内摩擦角。围岩进入塑性区后,每一点的摩尔-库仑圆都是不同的。摩尔包络线为一组具有相同φ但c不同的平行直线,可见c的变化对计算结果影响很大[2]。
3.3 F型和G型断面计算结果分析
通过三维弹塑性有限元分析可知,施工完成时地表最大沉降量约为5.165mm,均满足施工期间地表的沉降量环境控制要求(≤30mm)。施工期间隧道围岩的最大沉降值均位于G型断面的拱顶部位以及双连拱隧道拱顶部位,最大下沉值约为2.396mm,最大隆起量约为18.13mm,也位于这些部位的仰拱底部。计算结果一方面表明施工期间围岩处于稳定状态,另一方面也表明这些部位是施工中的薄弱环节,应高度重视和密切关注,加强对这些部位的监控量测。
取几组不同的粘聚力c、内摩擦角φ和弹性模量E的围岩进行对比和分析,还可以发现,当隧道处于软弱围岩地层中,掌子面处的土体出现塑性区。因此,在大断面隧洞施工时,为防止围岩坍塌,要及时封闭掌子面和施做临时仰拱,使各单洞室初支尽快封闭成环。
3.4 H型断面双连拱隧道两种施工方案比较
3.4.1 施工进度比较
采用三洞法施工,必须待G型断面双侧壁导坑中间的土体施工完成后才能施工双连拱隧道,且双侧壁导坑法施工每侧洞室均要错开15m以上,按单洞室2m/d的进度,待G型断面中间土体施工完成至少需要12天,加以施工中洞及核心柱施工,至少需要10天,然后才能进行左线隧道施工。当三洞法改两洞法施工后,仅需要G型断面双侧导坑中的左线隧道施工完成后,即可进入双连拱隧道左侧隧道施工,可节省工期至少22天。
3.4.2 计算结果比较
采用两导洞法和三导洞法计算出的轴力和位移见表2。
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:①两导洞法施工中,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;②三导洞法施工中,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。
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,2003,24(5):23-28.
[2]杨明举,常艄东.超大型地下洞室群施工开挖程序及围岩稳定分析[J].西南交通大学学报,2000,35(1):32-35.
[3]钟登华,刘东海.大型地下洞室群施工系统仿真理论方法与应用[M].北京:中国水利水电出版社,2003.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200811/9013.htm
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