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1、浅埋暗挖隧道施工性态的数值模拟与分析摘要:地铁隧道施工中,隧道开挖程序、施作的步骤对隧道稳定性及地表沉降影响显著。北京地铁10号线某标段浅埋单洞双层隧道,是出入口通道与车站中洞、旁边单层侧洞相接的暗挖部分,单、双层转换,初支结构形式和施工都很复杂。目前国内外对单洞双层隧道分析较少,与车站和通道相连接的这种单洞双层隧道比较短,对它的分析往往被忽视。对采用3层6导洞的CRD工法施工的这种浅埋单洞双层隧道的施工性态进行数值模拟,分析该区域隧道施工引起的地表沉降,探索一次性开挖成洞及隧道分步开挖引起的地表沉降槽的变化形态,拱顶沉降及拱顶
2、主应力的变化规律。数值分析表明:施工工序不同使隧道的偏挖引起的沉降槽向未开挖一侧偏移,此过程中地层最大沉降并不发生在隧道中线处,而是完成全部开挖,地层变形稳定后,其累计沉降最大值位于隧道中线处。隧道开挖衬砌完全施作后,地表沉降变化不大,但是后续开挖步引起的结构内力应予以重视,尤其对于中隔壁支撑及拱底衬砌的支护,要及时施作拱底二次衬砌。研究结果为单洞双层隧道分步施工控制地表变形和洞周位移提供参考依据。关键词:浅埋暗挖隧道;单洞双层;施工性态;数值模拟;地表沉降引言在地铁隧道施工中,由于隧道开挖将造成土体应力重分布,因此在一定的土体
3、环境中,隧道的开挖方式对隧道稳定性及地表沉降影响尤为显著[1]。不同的施工程序,在时空上相当于荷载以不同的方式施加在隧道上[2],尤其对于浅埋隧道,覆土厚度较小,围岩松散,自承能力差,隧道开挖引起很大的地表沉降,往往造成周边建筑物破损、倾斜甚至倒塌。因此研究隧道施工工序对隧道稳定及地表沉降的影响具有重要意义[3]。本文即对北京地铁10号线某标段单洞双层通道的施工工序引起的地表沉降及拱顶沉降进行了数值模拟与分析。1工程简介北京地铁10号线某标段与车站结构相联部位设4个出入口通道,每个通道在中洞和侧洞之间的部分为单洞双层通道,其余部
4、分为单层通道,均采用暗挖法施工。东南和东北出入口通道,中洞和侧洞之间双层部分长度为6.94m,双层通道的开挖尺寸宽×高为6600mm×12000mm,初期支护结构厚度为300mm,二衬结构厚度为500mm,二衬净空尺寸宽×高为5000mm×10100mm。见图1,土层参数见表1。2地表变形分析2.1地表沉降理论分析预测地面沉降量及影响范围的常用的方法有边界元法、有限元法、根据实测数据的统计方法等。其中应用较多的是Peck提出的经验公式[3]:4式中:S(x)为距离隧道中线x处的地面沉降量,m;S(max)为隧道中线x=0处的地面
5、沉降量,m;x为距隧道中线的距离,m;i为沉降槽的宽度系数,即沉陷曲线反弯点的横坐标,m。Peck假定横向沉陷曲线为正态分布曲线。当横向沉陷曲线为正态分布曲线时,Smax与沉降槽体积VS满足下列关系:沉降槽的宽度系数i取决于接近地表的强度,隧道埋深和隧道半径。通过在均匀介质中试验,得到近似的几何关系是:式中:Z为隧道开挖面中心至地面的距离,m;R为隧道半径,m;K,n为试验系数,K=0.63￣0.82,n=0.36￣0.97。由以上经验理论可知,地层沉降沿深度在任一横断面呈正态分布,最大沉降位于隧道中心位置处,随着隧道埋深Z的不
6、断增加,地表最大沉降值也不断增大,在隧道拱顶位置处沉降值达到最大。2.2数值模拟本文分析采用了Mohr-Coulomb塑性模型[4],有限差分计算方法对单洞双层隧道开挖过程进行模拟,其中初衬、临时支护均用梁单元,小导管注浆作用通过提高土体的弹性模量及c、Ф值来进行模拟。目前世界上单洞双层隧道并不多见,但是在隧道的出入口与车站中洞与侧洞相连的部位,单洞双层通道较多,只是长度较短,施工往往被忽视。而此处恰是车站与侧洞单洞单层通道的过渡,对它施工所引起的地层扰动,直接影响到测洞和车站的施工。本文完全模拟了双层通道施工的动态过程,先进行
7、第①步拱部超前小导管注浆,台阶法开挖①步土体,铺设Ф6-150×150钢筋网,架格栅并作格栅锁脚锚杆,隧道支护参数见表2,喷混凝土作初衬。然后依次进行第②～⑥步的施工,见图2。2.3分部开挖引起的地表沉降分析在进行分步开挖计算时,取隧道中线为零点,开挖水平影响范围约为隧道跨度的15倍,以减小模型的边界约束效应,使模型更能真实地反映开挖引起的沉降,竖向影响范围为隧道开挖深度的5倍,建立了100m×60m的网格[5-6],见图3,以隧道中心点为对称点对地表18个点进行了地表竖向位移的监测和数据采集,有关分步开挖地表的沉降分布形态见图
8、4。第一步导洞①开挖,地表最大沉降量模拟计算值为36mm,地表沉降呈正态分布,现场实测最大沉降量为34.65mm,第二步开挖地表模拟计算值最大沉降量为38.149mm,实测值为37.7mm,沉降槽的宽度没有变化,水平影响范围也没有增加,在-40m～+40m处沉降
