地铁区间隧道施工过程动态模拟分析

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1、用心专注，服务专业　摘要通过有限元对CRD法及其相关辅助工法进行隧道开挖模拟分析，总结了隧道地表沉降规律等，为沉积层中地铁区间单线双洞隧道在软弱围岩且小间距条件下，进行浅埋暗挖法设计施工提供了依据。关键词隧道工程小间距隧道CRD工法有限元地表沉降1引言拟建南京地铁二号线汉中门～首清园段区间采用单线双洞隧道，间距小、埋深浅、围岩软弱，隧道地表沉降要求≤30mm。在隧道施工过程中必须充分考虑在浅埋暗挖的情况下所采用的施工方案及其对地表沉降的影响。地下结构数值模拟分析，着重放在物理力学参数的反演确定上；而施工过程的动

2、态模拟则强调模拟过程的实时性。由此，提出了相应的工法，并通过有限元动态模拟分析地铁隧道浅埋暗挖法开挖的整个过程。2工程概况区间隧道，线路平面为两平行单线，线间距为13．2m，净间距为7m左右，暗挖法施工，隧道为两单洞结构，跨度4．98m高为5．2m，马蹄形断面；覆土厚约7m。该区间隧道洞身穿越两大地层：①阶地地层；②漫滩地层。围岩以软土、粉土、砂土为主，下部有可塑粘性土。砂、砾石。具体地质条件为，填土由粘性土和建筑垃圾组成，层厚3m；粉质粘土呈可塑～软塑状，分布不连续，层厚2m；粉土：上质潮湿，稍密，分布不连续

3、，层厚2m；淤泥、粉质粘土：流塑状，中间夹薄厚粉土、粉砂，层厚10m；粉土、粉细砂：土质中密，层厚20m。围岩受多期应力作用，节理、裂隙发育，岩性软弱，承载力低，自稳性差，属浅埋软弱V级围岩［1］，开挖后易坍塌，地表沉降难以控制。所选施工方案充分考虑了工程环境和地质条件，由于区间隧道穿越的是城市居民区和商业区，且总体围岩自稳能力差，施工工序多且干扰大，开挖易坍塌，地面沉降难以控制，施工难度较大，同时保证地铁隧道结构和施工安全是该方案的重点。依据已建地铁大跨度双线隧道施工的成功经验，结合本区间地质情况，确定施工方

4、案为CRD工法［2,4］和辅助工法施工。主要技术参数为：初喷C20混凝土3～5cm；超前支护φ50小导管，长5m；拱部锚杆采用φ22的钢筋，长3．5m；对拉锚杆φ22的钢筋，贯穿中隔土;φ8的钢筋网，网格为20cm×20cm，型钢支撑采用20b轻型工字钢，间距为50cm；复喷C20混凝土30～35cm。采用开挖步骤如图1所示。图1开挖工况从左线隧道开始施工，先沿①部拱部开挖轮廓线以上施打小导管支护，注水泥水玻璃浆加固地层，同时向拱部范围施打锚杆，此时根据监控量测结果，如果地表沉降速率达到警戒值，对掌子面封闭。开

5、挖①部土体，初喷混凝土后，架立格栅及中隔壁型钢钢架。设置边墙锚杆，挂网喷射混凝土封闭，向下开挖②部土体，①部②部土体之间错开2～3m。另一侧采用同样的方法施工。二次衬砌施作时，分段拆除临时支护，用拱架进行二次衬砌。单洞施工完毕后，施打对拉锚杆，再施工右线。3模拟计算3．l数值模拟基本原理铁路、城市轨道交通专业学习资料用心专注，服务专业计算采用理想弹塑性模型模拟围岩，并采用Mohr－Coulum屈服准则。隧道开挖施工过程主要包括（岩）土体分步开挖及支护结构的分部设置等。用以模拟不同施工阶段力学性态的有限元方程［2

6、］为：（［k0］+［Δki］）{Δδi}＝{ΔFir}+{ΔFa}{i=1,M}（1）式中，M为施工阶段总数；［k0］为开挖前（岩）土体等的初始总刚度矩阵；[Δki]为施工过程中岩土体和支护结构刚度的增量或减量，其值为挖去岩土体单元及设置或拆除支护结构单元的刚度；{Δfir}为开挖释放产生的边界增量结点力矩阵，初次开挖由岩土体自重，地下水荷载，地面超载等确定，其后各步开挖由当前应力状态决定；{Δfia}为施工过程中增加的结点荷载列阵；{Δδi}为任一施工阶段产生的结点增量位移列阵。施工阶段i的位移{δi}，应变

7、{εi}和应力{σi}为：（2）（3）{σ0}为初始应力；{δi}为各施工阶段应力增量。材料为弹塑性体时，上述计算可采用增量初应力法。在施工过程的动态仿真数值模拟分析中，以不同的开挖阶段来模拟；分部卸载由开挖面向前推进而引起，计算时选用不同的地应力释放系数，以反应不同的施工阶段的变化；分步支护，二次衬砌计算时分别采用在不同的施工阶段设置来模拟。3．2计算模型在有限元计算中，为了尽量减少二维有限元模型中边界条件对计算结果产生的不利影响，计算模型的边界范围按照以下原则进行了确定［2，3，4］：水平方向的长度为隧道跨

8、度的4倍为限，既计算模型的水平宽度为开挖隧道跨度的4倍；垂直方向以洞跨的5惜为限，即计算模型从地表到下部计算边界的高度为洞跨的5倍。由此建立模拟隧道开挖过程的二维有限元计算模型，如图2所示。图2模型图3．3材料参数在有限元计算中，区间大跨度隧道结构的二维计算采用隧道与地层共同作用的受力模式，模拟分析各个施工阶段地层和隧道结构的受力与变形的特点。根据初步设计的要求，在每次的开挖施工过程中