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1、双洞垂直重叠地铁隧道施工力学行为分析【摘 要】 通过建立有限元模型,对复杂地质条件下双洞重叠地铁隧道的施工过程进行数值模拟,研究了隧道各施工阶段的稳定性和支护结构安全性。结果表明,上洞下台阶施工对下洞结构内力影响较大,且上洞上台阶施工,对地表位移影响较大。【关键词】 双洞重叠; 地铁隧道; 有限元; 施工力学1前 言 目前世界上采用暗挖法修建重叠隧道并不多见,在日本仅有一例是一座双层重叠隧道。此外俄罗斯有采用盾构法修建的双洞双层8车道隧道的事例。国内有些隧道局部出现重叠的情况,如福厦高速公路与泉厦高速公路的交叉段。深圳地铁一期工程罗湖站至大剧院站区间隧道,所穿越
2、的地层条件复杂,围岩极其软弱,隧址地下水位高,隧道拱顶标高在地下水位以下。区间内隧道埋深在10~15m,属于浅埋隧道。隧道沿线高大建筑物密布,为了避开桩基,YSK(ZSK)2+388.35~YSK(ZSK)2+430段上下线共长41.65m,需采用垂直重叠暗挖法施工隧道通过,其中上洞围岩主要为Ⅳ级,下洞围岩主要为Ⅱ级。2计算条件2.1断面形式双洞垂直重叠地铁隧道断面如图1所示。2.2围岩的物理力学指标本次计算中围岩物理力学指标如表1所列。2.4施工过程模拟该段重叠隧道采用台阶法施工,计算中模拟了10个施工步骤,具体施工过程如下:开挖之前,先进行拱部预加固施工。①开
3、挖下洞上半部围岩;②施作下洞拱部初期支护;③开挖下洞下半部围岩;④施作下洞下半部初期支护;⑤施作下洞防水层和二次衬砌;⑥开挖上洞上半部围岩;⑦施作上洞拱部初期支护;⑧开挖上洞下半部;⑨施作上洞下半部初期支护;⑩施作上洞防水层和二次衬砌。2.5计算范围与计算边界本次计算范围选取为:上部至地表,下部取至隧道仰拱以下40m左右。左右各取50m左右。计算域左右有水平约束,下部有垂直约束,地表为自由边界。计算中,用实体单元模拟围岩、初期支护和二次衬砌,用杆单元模拟锚杆。2.6计算控制点计算选取的控制点如图2所示。33计算结果3.1隧道洞周位移该段隧道洞周位移随施工步变化规律
4、如图3、图4所示。由图3、图4可知,上洞拱顶最大位移为10.8mm,仰拱最大位移为0.6mm,边墙最大位移为0.4mm。下洞拱顶最大位移为1.7mm,仰拱最大位移为0.7mm,边墙最大位移为0.2mm。拱顶位移达到了规范规定,但水平收敛在规范规定的量值范围之内。3.2初期支护内力及安全性初期支护的内力及安全系数变化绘于图5~图8。由图5~图8可以看出:下洞初期支护最大轴力为1744kN,最大弯矩为70.4kN·m,最小安全系数为1.5。上洞初期支护最大轴力为1493kN,最大弯矩为19.9kN·m,最小安全系数为2.9。在绝大多数施工步中,初期支护系抗压控制,安全
5、性比较高。3.3下洞二次衬砌内力及安全性由于上洞施工对下洞二次衬砌的影响较大,计算得到下洞二次衬砌内力及安全系数随开挖步变化情况绘于图9、图10。由图9、图10可知:下洞二次衬砌最大轴力为1493kN,最大弯矩为19.9kN.m,最小安全系数为4.9,二次衬砌截面均系抗压强度控制,安全储备比较高。3.4锚杆轴力计算得到的锚杆的轴力如图11,锚杆最大轴力为18.1kN,没有超过50kN,所以,在该段隧道施工中,锚杆是安全的。3.5地表沉降最大地表沉降随施工步的变化情况见图12、图13。由图12、图13可以看出:各施工步的最大沉降量随施工步变化而变化,其中下洞施工时,
6、地表沉降较稳定,上洞拱部开挖对地表沉降影响较大,以后各步的施工对地表沉降影响又比较小。最大地表沉降为4.1mm,不会对地表建筑物引起不良影响。沉降槽沿隧道中心线对称,两侧各宽14m左右。4结 论该段隧道,在所处地质条件下,选用的施工方法,能够保证施工安全和结构的安全。具体表现为:4.1隧道洞周位移3除上洞拱顶位移最大位移为10.8mm较大外,其它位移均较小,基本在规范规定的范围之内。上洞和下洞的拱顶位移随着施工步的进行都有增大趋势,其中下洞拱顶位移在上洞开挖过程中,有所增大;其它部位位移随施工步的增加也有所增大,但增加较小。4.2初期支护内力及安全性上、下洞初期支
7、护最小安全系数为1.5。在绝大多数施工步中,初期支护系抗压控制,安全性比较高。下洞初期支护的轴力和弯矩在二次衬砌施作之前,随开挖步变化剧烈,当施作二次衬砌以后,初期支护内力趋于稳定。初期支护的安全系数在开挖下半断面时减至最小,施作二次衬砌以后,初期支护安全系数有较大提高,并趋于稳定,即上洞开挖对下洞的初期支护安全系数影响不大。上洞初期支护的轴力和弯矩随开挖步变化不大。初期支护的安全系数在开挖下半断面时减至最小,随着初期支护的封闭有较大提高。4.3下洞二次衬砌内力及安全性下洞二次衬砌截面均系抗压强度控制,安全储备比较高,且二次衬砌内力及安全系数随开挖步变化不大。4.
8、4锚杆轴力
