地铁车站站后折返区间浅埋暗挖开挖过程模拟研究

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1、地铁车站站后折返区间浅埋暗挖开挖过程模拟研究夏国志宋卫东(北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083)摘要：运用FLAC3D软件，结合北京天坛东门地铁车站站后折返区间具体工程条件，折返区间在采用双侧壁导坑法开挖的情况下，对不同的局部开挖顺序进行了数值模拟研究，通过分析得出同样的支护参数，在满足支护强度和结构稳定性的前提下，分析了不同的局部开挖顺序对区间隧道周围土体位移的变化规律，得出先同时开挖双侧洞，支护、建筑完后，再开挖中洞，对地表沉降影响及周围土体扰动均比较小为最优方案，为此工程设计提供

2、了理论依据，也为类似工程设计施工提供类比和指导。关键词：浅埋暗挖双侧壁导坑法开挖顺序FLAC3D模拟1引言随着城市地铁工程在我国的蓬勃发展和大量续的修建，由地铁工程开挖而引发的环境问题(主要是指施工过程中由地层变形失控所引起环境害，主要包括地面建筑物、道路、管线等构筑物损害)已成为城市现代化建设中的一个亟待解决问题，因此，研究城市地铁工程开挖过程中地表降的有效控制问题，对于地表环境保护具有十分要的意义，其中，关于开挖顺序的优化分析是一重要的研究课题[1]。在地下隧道开挖中，随着开挖面的推进，如何尽

3、量保持岩土体的初始状态，减少对岩土体初始状态的扰动，保持围岩处于相对稳定状态及不发生过大位移是工程中密切关注的问题。它涉及导地下工程开挖方式的选择，开挖空间的利用，最佳支护方式，支护参数及支护时机的确定等因素。因此针对具体的岩土体研究不同的开挖方式下围岩的应力及位移状态，对分析围岩稳定性及推动地下工程施工力学的发展有着重要的意义。在浅埋暗挖地铁工程施工中，横断面多采用分部开挖，其应力、位移释放规律也比较复杂[2]，在横截面上各部分土体不同开挖顺序对地表及围岩的影响这方面有一定的研究[3，4]，但在

4、横截面各部分土体开挖顺序确定的条件下，各部分土体在纵向的开挖进度对地表及围岩的影响研究却比较少，本文结合天坛东门站站后折返区间工程实例，模拟计算在纵向上不同开挖进度情况下，地表及围岩位移变化规律，以指导隧道工程设计与施工。2工程概况1作者简介：夏国志(1980－)，男，硕士，2004年毕业于南昌大学建筑工程专业，同年9月考入北京科技大学工程力学专业攻读硕士学位研究生，主修地下结构工程方向。E-mail：s20040028guozhi@163.com北京地铁5号线是一条纵惯京城南北的交通大动脉，天坛

5、东门站位于这条大动脉的南端，周围古建筑较多，交通比较繁忙，施工方案采用浅埋暗挖法施工，站后折返区间是两平行地铁隧道的连接通道，通过折返区间，列车可在这两条隧道上调换，由于区间功能的需要，折返区间跨度6较大，最大断面跨度23.6m，高8.924m，纵向长32.943m，高跨比为0.378，为扁平结构。如图1所示。图1折返区间断面横截面开挖顺序3开挖方案数值模拟FLAC(拉格朗日元法)是目前世界上优秀的岩土力学数值计算软件系统之一，FLAC3D是一种三维显式有限差分程序，其基本原理，算法与离散元法相似

6、，它运用节点位移连续条件，可对连续介质进行大变形，基于显式差分法求解运动方程和动力方程，FLAC3D提供了梁、桩、锚杆、壳体等多种结构单元，非常适合于研究隧道开挖等岩土工程问题[5]。3.1模型及边界条件在开挖过程中，地面横向受影响范围一般为开挖掌子面3倍洞径的范围。在无水、少水情况下，地面横向沉降范围一般认为等于结构埋深，也就是从结构物边横向向外结构埋深宽度[6]。工程中侧洞开挖断面跨度为7.4m，受开挖扰动的横向范围主要在侧洞外24m之内。结构覆盖土层厚度12.54m，结构底拱埋深21.5m，

7、考虑到中洞开挖对两侧土体的扰动和模型边界条件的影响，综合上述，确定计算模型宽90m，高50m，纵向沿着隧道方向长度40m。由于内部结构相对于整个模型显得太小，为了更清晰显示内部结构，从而未显示外围土体，如图2所示。6图2有限元模型计算采用摩尔库仑准则，模型在两侧边界和前后边界约束住水平位移，底部边界约束住竖直位移，上边界为自由面，考虑到地表是公路，因此模型在上边界施加20kPa的竖直向下均布荷载。3.2土体和衬砌材料参数根据实际勘测资料，土体特性分为四层，第一层：表层杂填土，厚1.4m，第二层：粉

8、土，厚5.7m，第三层：粉质砂土，厚4.3m，第四层：粉质粘土与卵石，厚38.6m。土体参数见表1。表1土体和支护结构材料物理力学性能参数材料重度/KN·m-3变形模量/MPa泊松比内摩擦角(。)粘聚力C/kPa表层杂填土17.0200.3529.020.0粉土18.017.50.3028.017.0粉质砂土16.016.30.2827.514.1粉质粘土与卵石20.031.1~37.60.3029.2~33.029.9~33.8管棚支护注浆层20.8114.10.2531.028