地铁车站站后折返区间浅埋暗挖开挖过程的模拟研究的论文

地铁车站站后折返区间浅埋暗挖开挖过程 的模拟研究的论文 摘要运用flac3d软件，结合北京天坛东门地铁车站站后折返区间具 体工程条件，折返区间在采用双侧壁导坑法开挖的情况下，对不同的局 部开挖顺序进行了数值模拟研究，得出了先同时开挖双侧洞，待支护、 建筑完后，再开挖中洞的方法，对地表沉降影响及周围土体扰动均比较 小为最优方案，为此类工程设计提供了理论依据。 关键词浅埋暗挖双侧壁导坑法开挖顺序flac3d模拟 在地下隧道开挖中，有关开挖顺序的优化分析是一重要的研究课题 [l]o随着开挖面的推进，如何尽量保持岩土体的初始状态，减少对岩 土体初始状态的扰动，保持围岩处于相对稳定状态及不发生过大位移 是工程中密切关注的问题。它涉及到地下工程开挖方式的选择，开挖 空间的利用，最佳支护方式、支护参数及支护时机的确定等因素。因 此针对具体的岩土体研究不同的开挖方式下围岩的应力及位移状态, 对分析围岩稳定性及推动地下工程施工力学的发展有着重要的意 义。在浅埋暗挖地铁工程施工中，横断面多采用分部开挖,其应力、位 移释放规律也比较复杂[2],在横截面上各部分土体不同的开挖顺序对 地表及围岩的影响这方面有一定的研究[3,4],但在横截面各部分土体 开挖顺序确定的条件下，各部分土体在纵向的开挖进度对地表及围岩 影响的研究却比较少。本文结合天坛东门站站后折返区间工程实例, 模拟计算在纵向上不同开挖进度情况下，地表及围岩位移变化规律，以 指导隧道工程设计与施工。 1工程概况 北京地铁5号线是一条纵贯京城南北的交通大动脉,天坛东门站位 于这条大动脉的南端，周围古建筑较多，交通比较繁忙,施工方案采用 浅埋暗挖法施工，站后折返区间是两平行地铁隧道的连接通道,通过折 返区间，列车可在这两条隧道上调换,由于区间功能的需要，折返区间 跨度较大，最大断面跨度为23.6m,高8.924m,纵向长32.943m,高跨比 为0.378,为扁平结构，见图1。. 2开挖方案数值模拟 flac（拉格朗日元法）是目前世界上优秀的岩土力学数值计算软件系 统之一,flac3d是一种三维显式有限差分程序，其基本原理和算法与离 散元法相似，它运用节点位移连续条件，可对连续介质进行大变形，基 于显式差分法求解运动方程和动力方程,flac3d提供了梁、桩、锚 杆、壳体等多种结构单元，非常适合于研究隧道开挖等岩土工程问题 [5]o 2.1模型及边界条件 在开挖过程中，地面横向受影响范围一般为开挖掌子面洞径3倍的 范围。在无水、少水情况下，地面横向沉降范围一般认为等于结构埋 深,也就是从结构物边横向向外结构埋深宽度[6]。工程中侧洞开挖断 面跨度为7.4m,受开挖扰动的横向范围主要在侧洞外24m之内。结 构覆盖土层厚度12.54m,结构底拱埋深21.5mo综上所述，考虑到中 洞开挖对两侧土体的扰动和模型边界条件的影响，确定计算模型宽 90m,高50m,纵向沿着隧道方向长度40m。由于内部结构相对于整个 模型显得太小，为了更清晰显示内部结构，从而未显示外围土体，见图 20 计算采用摩尔库仑准则,模型在两侧边界和前后边界约束住水平位 移，底部边界约束住竖直位移，上边界为自由面，考虑到地表是公路，因 此模型在上边界施加20kpa的竖直向下均布荷载。 2.2 土体和衬砌材料参数 根据实际勘测资料,土体特性分为4层。①第1层表层杂填土，厚 1.4m;②第2层粉土，厚5.7m;③第3层粉质砂土，厚4.3m;④第4层 粉质黏土与卵石，厚38.6mo 土体参数见表lo 2.3开挖方案设计 折返区间采用双侧壁导坑法开挖,横截面开挖顺序见图lo开挖定义 如下 a开挖侧洞1、2、3、4部分，临时支护封闭,作初期衬砌、建筑柱和 二次衬砌拱； b开挖中洞上层5、6部分，临时支护封闭顶拱，作初期衬砌，建筑中 洞顶拱二次衬砌； c开挖中洞下层7、8部分，临时支护封闭仰拱，作初期衬砌，建筑中洞 仰拱二次衬砌。 开挖方案如下 ① 方案1两侧a同时开挖，再b开挖，最后c开挖，完成整体结构。 ② 方案2一侧a开挖，然后另侧a开挖，再b开挖，最后c开挖，完成 整体结构。 ③ 方案3先两侧a同时开挖20m,b、c开挖20m;再两侧a同时由 20m开挖到40m,b、c开挖由20m开挖到40m,完成整体结构。 ④方案4先一侧a开挖20m,另一侧a开挖20m,再b、c开挖20m; 后再一侧a由20m开挖到40m,另一侧a由20m开挖到40m,最后 b、c由20m开挖到40m,完成整体结构。 2.4模拟结果及分析 由于该隧道为三洞对称结构，中洞净空高度和跨度都大于两边侧洞, 又中洞所处中间位置两侧没有围岩的约束，且中洞上部土体变形受到 两侧洞开挖的扰动以及中洞土体开挖的双重影响，使得中洞部位所对 应的地面、顶拱相对位移变化量都大于侧洞所对应的地面、顶拱相 对位移变化量，中洞土体开挖对地面沉降和结构变形的影响都比较大, 所以有效地控制由于中洞开挖而使得的地面沉降和结构变形是工程 中的关键。 为研究隧道变形,沿着模型纵向（即沿着隧道方向）在5、10、15、 20、25、30、35m处取7个截面，监测截面中洞顶拱正中点及对应的 地面点沉降，见图3、图4。 从图3可以得出沿着隧道方向中洞地面沉降逐渐增大后又有减小的 趋势，隧道两端地面沉降小,而在中间附近地面沉降大。这是由于隧道 端部土体围岩压力比较小，受前后开挖的扰动也比较小,而隧道中部围 岩压力比较大，受前后开挖土体的扰动也比较大的缘故。隧道前段开 挖，开挖面应力释放，开挖面前部土体向开挖面倾斜，从而使得中洞地 面沉降最大点一般在两端中间偏后一些，方案1和方案2大约在截面 25m处，方案3和方案4大约在截面30m处。分析图4可以得出沿 着隧道方向中洞顶拱沉降先逐渐增大后减小，再增大最后又减小，沉 降变化有一种波动的趋势，但总体趋势还是两端沉降比较小，中间沉降 比较大，这和其地面沉降趋势相一致，只是在数值上顶拱的沉降比地面 的沉降要大一些。这种变化趋势也和实际工程情况相吻合。分析图 3和图4,后两种方案的中洞地面和中洞顶拱沉降量都要大于前两种 方案，中洞地面最大沉降量后两种方案分别是前两种方案的1.6倍左 右。顶拱最大沉降量是前两种方案的1.24倍左右。分析四种方案，最 根本的区别在于前两种方案是侧洞开挖、二次衬砌建筑完后再开挖 中洞，后两种方案是把整个工程沿着隧道方向分为前20m开挖、浇 筑二次衬砌和后20m开挖、浇筑二次衬砌两段进行施工，从图3和 图4可以看出在前段15m施工时，四种方案地面和顶拱沉降相差不 大，而之后的沉降差距就逐渐拉大,体现在施工开挖上即为前两种方案 侧洞开挖到20m处后继续开挖侧洞，而后两种方案侧洞开挖到20m, 建筑衬砌，开挖中洞。前者由于先只开挖侧洞，而中洞土体形成岩柱承 受上部荷载，同时也隔开两侧洞，使得在开挖过程中开挖跨度不大，使 围岩有效地形成横向应力拱，有效地抑制了地面沉降，而后者侧洞开挖 到20m处开始开挖中洞，开挖过程跨度较大，虽然侧洞和中洞间建有 隔柱承受上部荷载，但隔柱作用面积小，不足于形成中洞岩柱所形成的 横向应力拱，而又在开挖后半段