城市隧道施工的三维数值模拟分析

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1、城市隧道施工的三维数值模拟分析【】龙厦高速铁路石桥头隧道进口段，采用CRD法进行施工。针对城市浅埋隧道施工引起地表变形是城市浅埋隧道施工中密切关注的问题。本文采用有限差分法，对CRD法施工引起地表变形进行三维数值模拟分析，得到CRD法施工的隧道地表变形规律、衬砌受力分布特点、衬砌受力与围岩变形关系等，并提出施工的注意事项。最后利用实测值与分析预测值进行对比，误差在4mm之内，均未超过地表变形允许值，地表建筑物安全得到了保障，实现了隧道CRD法施工对地表变形的有效控制，对以后类似工程具有一定的指导意义。　　【关键词】城市隧道；数值模拟；地表变形；CRD工法　　　　0.引言　　目前，随着岩土工

2、程数值方法和计算机技术的快速发展，复杂定解条件问题的处理才能成为可能，数值方法被人们广泛用来进行求解隧道施工过程中遇到的各种问题的最有效的通用方法。　　目前对于CRD法在城市浅埋隧道施工中的运用及其对地表变形和衬砌受力的内在因素和机理方面的研究较少。本文结合龙岩至厦门高速铁路（简称龙厦铁路）石桥头隧道进口段工程，对CRD法施工进行数值模拟，重点研究隧道施工引起的地表变形沉降规律、衬砌受力特点、衬砌受力与围岩变形的关系，最后通过现场监测结果验证数值模拟的合理性。　　1.工程概况　　龙厦高速铁路石桥头隧道位于福建省龙岩市城区，隧道整体由西北折向东南方向，为电气化双线隧道，线间距4~4.4m，行

3、车速度120km/h，位于R=1000m的右偏曲线上，隧道净高11.2m，净宽12.8m，全长1586m，是龙厦铁路重点控制性工程。地质调查和钻探揭示，进口段DK2+450~DK3+021长571m，为Ⅴ级围岩。且该段隧道埋深浅，开挖跨度大，围岩稳定条件差，因此，控制围岩变形及地表沉降是该段隧道施工中的关键技术问题，因此本文以此段为依据进行数值模拟分析，来研究隧道施工引起的地表变形规律。　　2.隧道施工数值模型的建立　　由于进口段地质条件较差，选取隧道埋深约17m建立计算模型。隧道净空断面为（12.8m×11.2m），根据隧道开挖的影响范围，参考已有的计算理论和经验，模型计算范围为：中心线

4、两侧各取50m，竖向选取地表以下70m，为了节约时间，隧道纵向取三个开挖步长即9m。在本文分析计算中，假定隧道围岩按弹塑性材料考虑，破坏准则采用摩尔-库伦准则。结合该工程，在模拟隧道施工过程中，超前管棚预加固，采用改善围岩参数的等效方法来模拟；钢拱架加喷射混凝土初期支护，采用壳体结构单元模拟；围岩、加固圈和二次衬砌，采用实体单元模拟。整个地层数值模型计算区域为100m×9m×70m，共划分X格单元13620个，节点23360个。　　模型计算边界条件为：左右边界施加水平方向的约束，底部边界施加固定约束，顶部边界为自由面。模拟计算中，土层力学参数和围岩支护参数，按石桥头隧道地质勘查报告和规范选

5、取，其值见表1。　　表1模型参数表　　3.CRD工法施工过程的数值模拟　　建立三维X格模型→初始条件模拟分析(自重应力和顶面的均布荷载)→加固圈加固处理(超前管棚加固)→开挖左上导洞模拟计算、初期支护模拟计算→开挖右上导洞模拟计算、初期支护模拟计算→开挖左下导洞模拟计算、初期支护模拟计算→开挖右下导洞模拟计算、初期支护模拟计算→二次衬砌施加模拟计算→最后对模拟计算结果进行分析。　　注意的是在开挖前必须采取一些加固措施(如超前管棚等)进行预加固地层，每部开挖之后要及时施作初期支护，最后拆除临时支护并施作二次衬砌。　　通过对CRD工法在城市浅埋隧道施工进行三维数值模拟，得到各部开挖支护和二次支

6、护的竖向位移及影响范围分布(结合tecplot10.3后期处理软件得图1)、围岩应力分布(结合tecplot10.3后期处理软件得图2)、衬砌受力分布云图(如图3)、开挖结束后的变形矢量及塑性状态分布(如图4、图5)。　　第一部开挖支护第二部开挖支护　　第三部开挖支护第四部开挖支护　　二次支护　　图1各部开挖支护和二次支护竖向位移及影响范围　　表2模拟开挖地表下沉统计/mm　　由图3和表2模拟计算结果表明：　　3.1采用CRD法对隧道进行施工，隧道上方出现了变形沉降，沉降影响范围随着开挖位置变化而变化，沉降影响范围首先产生并偏向于开挖一则，随着开挖的继续，影响范围也随之变化，最后影响区域几

7、乎对称位于隧道中心线上方两侧各26m左右，最大沉降值为16.2mm，位于隧道拱顶正上方。因此在对地表沉降进行监控量测时，基准点要埋设远离隧道中心线26m以外。　　3.2隧道各部开挖进行支护后，沉降虽然继续增加，但数值不大，并且主要影响范围明显缩小，由此知道在隧道开挖过程中，隧道毛洞开挖结束时，初期支护和临时支护要及时跟进，对稳定隧道开挖面极为重要。　　3.3隧道不同部位的开挖对地表沉降的影响各异，左上导洞开挖沉降比例较大