地铁车站站后折返区间浅埋暗挖开挖过程的模拟研究

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1、地铁车站站后折返区间浅埋暗挖幵挖过程的模拟研宄摘要: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，得出了先同时开挖双侧洞，待支护、建筑完后，再开挖中洞的方法，对地表沉降影响及周围土体扰动均比较小为最优方案，为此类工程设计提供了理论依据。关键词:浅埋暗挖双侧壁导坑法开挖顺序FLAC3D模拟在地下隧道开挖中，有关开挖顺序的优化分析是一重要的研究课题［1］。随着开挖面的推进，如何尽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

2、密切关注的问题它涉及到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宄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的开挖顺序对地表及围岩的影响这方面有一定的研宄［3,4］，但在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影响的研宄却比较少。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

3、位移变化规律，以指导隧道工程设计与施工。1工程概况北京地铁5号线是一条纵贯京城南北的交通大动脉，天坛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，折返区间跨度较大，最大断面跨度为，高，纵向长，高跨比为，为扁平结构，见图1。2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，其基本原理和算法与离散元法相似，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

4、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，非常适合于研宄隧道开挖等岩土工程问题［5］。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洞径3倍的范围。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，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，结构底拱埋深。综上所述，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，确定计算模型宽90m，高5Om，纵向沿着隧道方向长度40mo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，

5、从而未显示外围土体，见图2。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。土体和衬砌材料参数根据实际勘测资料，土体特性分为4层。①第1层:表层杂填土，厚;②第2层:粉土，厚;③第3层:粉质砂土，厚;④第4层:粉质黏土与卵石，厚。土体参数见表1。开挖方案设计折返区间采用双侧壁导坑法开挖，横截面开挖顺序见1。开挖定义如下：A:开挖侧洞1、2、3、4部分，临时支护封闭，作初期衬砌、建筑柱和二次衬砌拱；B:开挖中洞上层5、6部分，临时支护封闭顶拱，作初期衬砌,建筑

6、中洞顶拱二次衬砌；C:开挖中洞下层7、8部分，临时支护封闭仰拱，作初期衬砌，建筑中洞仰拱二次衬砌。开挖方案如下：①方案1:两侧A同时开挖，再B开挖，最后C开挖，完成整体结构。②方案2:—侧A开挖，然后另侧A开挖，再B开挖，最后C开挖，完成整体结构。③方案3:先两侧A同时开挖20m，B、C开挖20m;再两侧A同时由20m开挖到40m，B、C开挖由20m开挖到40m，完成整体结构。④方案4:先一侧A开挖20m，另一侧A开挖20m，再B、C开挖20m;后再一侧A由20m开挖到40m，另一侧A由20m开挖到40m，最后B、C由20m开挖到40m，完成整体结构。模拟结果及分析由于该隧道为

7、三洞对称结构，中洞净空高度和跨度都大于两边侧洞，又中洞所处中间位置两侧没有围岩的约束，且中洞上部土体变形受到两侧洞开挖的扰动以及中洞土体开挖的双重影响，使得中洞部位所对应的地面、顶拱相对位移变化量都大于侧洞所对应的地面、顶拱相对位移变化量，中洞土体开挖对地面沉降和结构变形的影响都比较大，所以有效地控制由于中洞开挖而使得的地面沉降和结构变形是工程中的关键。为研宄隧道变形，沿着模型纵向（即沿着隧道方向）在5、10、15、20、25、30、35m处取7个截面，监测截面中洞顶拱正中点及对应的地面点沉