地铁隧道的掌子面稳定性数值模拟分析

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1、地铁隧道的掌子面稳定性数值模拟分析摘要：以西安地铁一号线CK段隧道工程为依托，对台阶长度、预留核心土长度的不同进行了有限元模拟,分析了台阶长度和核心土长度对隧道掌子面的纵向位移、塑性区的纵向深度的影响研究。结果表明，上台阶长度控制在10m以内，核心土长度控制在6m,能够较好地保证掌子面的稳定性。关键词：地铁隧道；掌了面；有限元；核心土长度0引言随着城市地铁隧道建设事业在我国的发展壮大，提高施工技术保证施工安全越来越显得重要[l-2]o西安是西北五省第一个在黄土地区修建地铁的城市，为了保证黄土隧道的顺利开挖和安全，在施工前对可行的方案进行优化

2、分析，已经成为一种不可或缺的手段和方法

3、3-4]O通过计算机建立数值模型，对复杂情况情况下的施工方案进行预演分析，己经成为施工方案优化选择的重要方法之一。因此，本文拟以西安地铁一号线CK段暗挖隧道为依托，进行核心土长度与隧道掌了面的纵向位移及围岩的变形Z间的关系研究，这对于地铁安全施工具有重耍的工程价值。工程概况1」工程地质条件西安市地铁一号线区间CK段地面标高404.99〜407.91m,全段东高西低，高差2.92mo地貌屈黄土梁洼。道路两旁建筑物林立，地下管线复杂。左右线隧道线间距15m。拱顶埋深约14.87m,结构断面为C型断面，开挖

4、宽&8.16m,开挖高度8.765m。本段范围内地表一般均分布有厚薄不均的全新统人工填土；左线隧道场地范围内有人工填土分布，厚度不均，土质结构松散，在地下排污管道渗漏处及地下水位附近具有较高的含水量。其下为上更新统风积新黄土（局部为饱和软黄土：由于地下水位的变动，地下水位附近的黄土层含水量达到饱和，常呈软塑•流塑状态，其承载力小，抗剪强度低，压缩性高，对工程建设尤其是地铁工程有一定的危害）及残积古土壤，再下为中更新统风积老黄土、冲积粉质黏土、粉土、细砂、小砂及粗砂等。隧道断面见图1。1.2水文地质条件（1）第四系孔隙潜水钻探揭霜的场地地下水

5、属潜水类型，2008年10月钻孔内量测得稳定水位埋深：CK段水位埋深为7.50m,水位年变幅lm左右。（2）含水层与隔水层的分布区间场地潜水赋存上更新统残积古土壤、中更新世风积黄土及冲积粉质黏土等黏性土层。主要含水层为中更新统冲积粉质黏土中2〜3层中砂透镜体夹层，分布不均匀，该层透水层好，赋水性强。1.3施工方案CK段隧道均采用3台阶留核心土法。施工方法如下：整个断面分为3个台阶，上台阶距拱顶6.2m,环向开挖，预留核心土，其超前下台阶6〜10m；下台阶高1.6m,超前仰拱10〜12m,左右幅错开开挖；仰拱高2.36m,钢拱架安装完成后下先

6、浇50cm厚混凝土，然后冋填片石混凝土至设计高度，其初期支护结构均采用120a工字钢拱架和钢筋网外加26cm厚C25喷射混凝土，上下台阶钢拱架底部均设置锁脚锚杆，二次衬砌为50cm厚的C30模筑混凝土。2数值模拟计算针对CK段地铁隧道工程为背景进行了数值模拟计算。2.1软件简介木次数值分析采用MIDAS/GTS软件。MIDAS/GTS分析软件主要包括岩土分析（geotechnicalanalysis）与—般的结构分析（structuralanalysis）,并且两者之间冇较大弟异。一般的结构分析注重荷载的不确定性，所以在分析时会加载各种荷载

7、,然后对分析结果进行各种组合，最后取各组合屮最不利的结果进行设计。岩土分析注重的是施工阶段和材料的不确定性，所以决定岩土的物理状态显得格外重要。在岩土分析屮应尽量使用实体单元真实模拟围岩的状态、尽量接近地模拟岩土的非线性特点以及地基应力状态（自重应力和构造应力）、并且尽量真实地模拟施工阶段开挖过程，这样才会得到比较真实的结果。2.2计算假定在计算中，如果丝毫不差完全真实地去模拟现场实际情况，是不可能实现的,也没有那种必要。对于地质情况比较复杂的隧道，在不影响计算结果的前提卜，在利用冇限元软件分析时作如下假设：1、土体视为连续、均匀，各向同性

8、介质。2、土体采用符合莫尔一库伦屈服条件的材料模拟3、土体的初始应力场不考虑构造应力，只考虑自重应力。2.2模拟选取参数根据圣维南原理，开挖只在洞周一定范围内引起应力重分布。根据经验可知,一般选取的计算范围沿洞径各个方向均不小于3〜5倍洞径。因此，隧道几何模型的取值范围为左右两侧计算边界为4倍的隧道总跨度，上下部边界均取为3倍的隧道总高度。对于钢拱架和钢筋网的支护作用采用等效方法计算，即将钢拱架和钢筋网的弹性模量折算给混凝土，其计算方法见式(1)(1)式中：…折算后混凝土弹性模量；…原混凝土弹性模量；…钢拱架截面积；…钢材弹模；…混凝土面积

9、。根据工程勘察报告，并结合相关规范，不影响计算结果的前提下，将土层整合成六层，选取的岩土参数见表1。3让算结果分析3」核心土对围岩塑性区的影响从图2的可以看出，留设核心土的长度可