TBM地铁施工下穿高速公路数值模拟分析

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1、TBM地铁施工下穿高速公路数值模拟分析 摘要:为了研究TBM法(TunnelBoringMachine)地铁施工下穿高速公路对高速沉降变形的影响，以某TBM法地铁施工实例，介绍了TBM法隧道施工时应施加的荷载和施加的方法，并通过采用FLAC有限差分软件，计算TBM法地铁施工下穿对渝合高速公路沉降变形的影响程度，说明了采用FLAC软件计算此类问题的可行性。关键词:地铁；TBM法；下穿；FLAC；沉降变形 1工程概述     某地铁线采用TBM法施工，在区间CK28+540—CK28+615段下穿渝合高速公路，为了解T

2、BM法施工区间隧道对渝合高速公路的影响，取CK28+580处剖面进行计算，该处设计轨面高程为271.98m，隧道拱部结构外缘高程为277.02m，高速路面高程为289.13m，隧道结构与路面净距为12.11m。剖面位置关系见图1。2计算模型及参数     按岩土力学法计算，采用有限差分软件FLAC3D进行计算分析。根据隧道影响的距离要求，同时尽可能减少计算单元，整个模型左右宽度取距离隧道约12m，总宽度为48m，上侧取到地面，约为15m，下侧取22m，模型高度约为35m。沿区间隧道纵向，取比公路宽度稍大，即48m。

3、     整个模型采用实体单元建模，土层采用摩尔—库仑模型。该模型目前在岩土工程中使用较多。隧道结构采用弹性体模型，共划分50240个实体单元，53790个实体单元节点，如图2所示。计算中采用的地层及支护参数见表1、表2。3荷载及施工方法模拟3.1荷载     隧道左线先于右线施工，由于初期支护稳定后才施工二次衬砌，因此，只考虑初期支护作用，TBM施工每循环进尺为1.5m。     1)路面荷载。路面荷载按20kPa均布荷载计算。     2)TBM掘进机刀盘挤压掌子面荷载。因为刀盘刚度很大，其作用在掌子面上的推力

4、可按均布荷载考虑，计算中取472.4kPa。     3)TBM掘进机刀盘部分作用在围岩上的荷载。TBM掘进机机头部分自重比较大，通过刀盘护盾作用在围岩上，对围岩有一定的压力，按2MPa考虑。     4)TBM撑靴作用在围岩上的撑力。TBM掘进时，将撑靴作用在围岩壁面上，提供TBM移动时的作用力，在掌子面后10m施加，大小为2MPa，其作用通过开挖中心与水平方向上下两侧成30°的范围内。3.2施工模拟方法     根据实际荷载情况，首先在模型上表面施加路面荷载，计算初始应力。然后按先左线后右线隧道的方式开挖，每步

5、开挖1.5m，每开挖一步，首先取消上一步施加在结构上的荷载，同时施加以下的作用:①掌子面上刀盘上的推力;②在开挖处2m的范围上，把机头部分自重施加在隧道洞壁上;③在距离掌子面10m处，施加撑靴支撑力;④支护落后掌子面16m再施加。 4计算结果分析     在隧道进行开挖之前，先进行应力平衡，来模拟隧道开挖前岩体的稳定状态，然后将位移归零，进行隧道开挖模拟。计算完成后，模型深度Y=10m处竖向沉降变形见图3。     为了了解隧道开挖后对渝合高速公路沉降变形的影响，取路面A～K点作为监测点，见图4。     为了了解

6、左线及右线隧道开挖完成后，在隧道上方高速公路的沉降变形情况，取图4中的A～K点，绘制最终沉降变形见图5。从图5可以看出，左线开挖对高速公路路面的影响比较大，而右线对其影响比较小。左线隧道开挖导致隧道上方一定范围内的路面下沉，而两侧路面有一定的隆起，主要是由于TBM在掘进过程中，需要依靠其左右撑靴作用在围岩壁面上提供前行的推力，导致公路路面有一定的隆起。同时，高速公路路面会产生一定的不均匀沉降，左线隧道上方的D点处路面沉降变形最大－7.4mm，右线隧道上方的H点右侧(K点)附近路面隆起量最大为11.1mm。在左线开挖

7、过程中，隧道开挖面在与D点正下方一定距离时，D点的变形过程见图6。     在左线隧道开挖过程中，距离D点正下方距隧道开挖约12.0m范围内对D点的沉降变形影响比较大，D点变形基本稳定后最大沉降变形为－5.2mm。在左线及右线开挖过程中，右线隧道上方的H点的沉降变形见图7。从图7可以看出，左侧隧道开挖时撑靴对洞周围岩的支撑作用力，影响到了右线隧道上方路面的沉降，导致右侧隧道上方路面有一定的隆起;但在右侧隧道开挖后，右线隧道上方H点处的路面有一定的下沉变形，最终H点的隆起量为2.6mm。 5结论     1)在左线隧

8、道开挖过程中，左线隧道上方一定范围路面会产生一定的沉降变形，而在这一范围之外，路面反而会有一定的隆起变形。最终左线上方路面的最大沉降是－7.4mm，右线上方的最大隆起值约为11.1mm，隆起变形值比沉降变形更大，值得注意。     2)由于TBM在施工过程中，先施工左线隧道，后施工右线隧道，同时由于TBM掘进机对围岩的压力，导致在隧道开挖过程中，地表有一定的