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1、地铁隧道支护系统的数值模拟研究摘 要:对CRD工法和短台阶施工法这两种较为常用的施工形式及其所采用的支护方式用FLAC进行了数值模拟,分析不同的支护参数对隧道周边应力场和位移场的影响,得出了有关塑性区分布与支护方式之间的关系,并对各类支护方式进行了比较与分析。关键词:地铁隧道;FLAC;数值模拟1 引言广州地铁地处珠江三角洲地区,隧道所在地层软硬程度不一,其物理力学性能参数比较离散,而且地下水丰富。地层上部为第四系海陆交替相沉积及河流冲积等土层包括松散的人工填土层、淤泥以及淤泥质土层和冲～洪积土层。下赋岩层却为强度和硬度都较大的花岗岩,包括全风
2、化带、强风化带以及中风化和微风化带,特点就是岩质坚硬。总之,地铁三号线沿线各段的地质条件差别较大,有的地段处于软土地层中,而有的地段处于半土半岩的地层中,且岩石的强度还很大。在这样的地层中进行隧道的施工是比较困难的,尤其是其支护的形式要不断地根据周围的围岩状况进行调整。具体施工时虽然强化了监控量测的作用,以测量的结果随时修正各类参数,但基本上还是沿袭了初步设计里面的相关内容,并没有从实质上真正根据量测的数据来采取相应合理的支护形式,也就是说整个区间隧道基本上就采用了一种或两种支护方案,这显然不能满足隧道周边围岩变化多端的要求。本文的主要内容是针
3、对某一围岩情况,模拟不同的支护形式和支护参数,分析其对隧道周边位移和应力场的影响,寻找一种合理的支护方式来满足地铁隧道关于安全性和耐久性的要求。2 模型建立2.1 计算软件针对隧道的某一横断面,轴向影响可以忽略不计,可看做是一平面应变问题,在本文中选择FLAC22D差分计算程序作为模型分析软件。该程序采用拉格郎日元法,利用节点位移连续条件,对连续介质进行大变形计算与分析。在计算过程中将计算区域划分为若干网格(单元),每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系。在求解大变形时,因为每一时步的变形很小,可近似采用小变形的本构关系和一些
4、理论与定理,最后将各时步的变形叠加,即得到大变形的结果。FLAC提供了多种弹塑性材料本构模型,可对弹性模型、摩尔—库仑模型、砌体节理模型、应变软化和强化等多种材料进行模型,利用空单元来模拟地下开挖;有静力、动力、蠕变、渗流、温度等计算模式,并且各种模式之间可以相互耦合,以用来模拟各种复杂的岩土和土木工程问题。可模拟地应力场的生成、边坡或地下洞室的开挖、混凝土衬砌、锚杆或锚索的设置、地下渗流等。程序内还设置了多种结构形式,如岩体、土体等其他材料实体,梁、柱、壳以及人工结构,如支护、衬砌、锚杆、锚索、摩擦桩、板桩等。其中的压杆梁单元,可用来模拟地面
5、开挖时的撑杆以及巷道工程中的混凝土衬砌;锚杆单元则可以是定点锚固,也可以沿全长砂浆锚固,还可用于模拟预应力锚索等拉张或压力作用的支护构件。2.2 网格划分与边界条件52.2.1 计算条件及计算范围计算过程中不可取一个无限体来分析,由工程经验知,在距开挖面隧道直径的4倍处可忽略边界条件的影响。所模拟的隧道直径大约为7～10m,所以计算模型长度取110m,高度取57m,其中隧道埋深约为17m。2.2.2 单元的划分采用矩形单元,在隧道断面处进行局部加密,共划分成400×320个单元。2.2.3 边界条件模型两侧的边界条件为限定水平移动的滑动支撑,模
6、型底部的边界条件为限定垂直位移的滑动支撑,模型上部为自由边界,如图3.1和图3.2所示。图1 单洞单线并行隧道计算模型图2 大跨度隧道计算模型2.3 模型物理力学参数与屈服准则2.3.1 物理力学参数的选取在选用岩土计算参数时,要剔除岩体与实验岩块间尺寸效应的影响,可取实验参数的1/10～1/5作为计算参数。2.3.2 屈服准则该计算以广州地铁三号线为背景,对单洞双线和单洞单线并行隧道分别进行计算分析,施工方法采用新奥法,衬砌为复合式衬砌。针对不同的围岩类别和不同的岩土材料采用不同的力学计算模型。对Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类围岩,主要是由填土、砂层及岩石
7、风化后的产物组成,塑性较强的弹塑性地质材料,土的性质比较突出,在材料达到屈服极限后,可产生较大的塑性流动。对这几类材料选用摩尔库仑(Mohr2Coulomb)屈服准则来对其进行模拟。21+sinφ1+sinφfs=σ1-σ31-sinφ+2c1-sinφft=σ1-σ3其中:σ1、σ3分别为最大、最小主应力,c为粘聚强度,<为内摩擦角,σ为受拉强度。t当fs<0时材料将发生剪切破坏,材料在达到屈服极限后,在恒定的应力水平下产生塑性流动。在拉应力状态如果拉应力超过材料的抗拉强度即:ft<0时,材料发生拉破。在Ⅳ类和Ⅴ类围岩中,主
8、要是岩石类材料,岩石的性质较为明显,可以采用应变软化准则来进行模拟和分析。在这一准则中,屈服函数、势函数、塑性流动法则以及应力修正与摩尔一库仑准则是完
