城市地铁喇叭口过渡段隧道施工技术研究及数值模拟分析

第23卷第15期岩石力学与工程学报23(15)：2528～25332004年8月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringAug.，20042002年1月22日收到初稿，2002年4月3日收到修改稿。作者丁春林简介：男，1968生，1996年于西南交通大学获工学硕士学位，现为博士研究生、讲师，主要从事隧道与地下结构、结构工程以及工程数值计算等方面的教学和研究工作。E-mail：[e-mail]。城市地铁喇叭口过渡段隧道施工技术研究及数值模拟分析丁春林1孟祥兵2陈力1(1同济大学道路与交通工程教育部重点试验室上海200331)(2中铁四局集团有限公司合肥230023)摘要某城市轨道交通三号线喇叭口过渡段隧道位于左线与联络线交叉处，隧道断面大，断面变化点多，且隧道顶部离30#楼桩基很近。为了减少暗挖施工对地层的扰动和控制地表沉降，采用合理的工法施工显得很有必要。针对区间喇叭口隧道特点，提出用眼镜工法和辅助工法施工，并采用弹塑性有限单元法对工法按施工步进行分步模拟计算，为施工、设计提供依据。关键词隧道工程，地铁，喇叭口隧道，眼镜工法，辅助工法，数值模拟分类号U455，O241文献标识码A文章编号1000-6915(2004)15-2528-06NUMERICALSIMULATIONANDCONSTRUCTIONTECHNIQUESOFTRANSITIONALTRUMPET-LIKETUNNELOFMETRODingChunlin1，MengXiangbing2，ChenLi1(1EducationMinistryKeyLabofRoadandTrafficEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200331China)(2ChinaTiesijuCivilEngineeringGroupCo.Ltd.，Hefei230023China)AbstractThetransitionaltrumpet-liketunnelinLineNo.3ofRailTransitSystemofagivencityliesattheintersectionbetweentheleftlineandtheconnectionline.Thecrosssectionofthetunnelislargeandhasmanyvariationpoints，andthetopofthetunnelisclosetothepilefoundationofBuildingNo.30.Inordertoreducethedisturbanceinducedbytheembeddedexcavationonstratumandcontrolthegroundsettlement，itisnecessarytoadoptreasonableexecutiontechniques.Basedoncharacteristicsofthetrumpet-liketunnel，spectacleandauxiliarytechniquesareproposed，andtheelastoplasticfiniteelementmethodisusedtosimulatetheprocessintheconstructionsequences.Keywordstunnelingengineering，metro，trumpet-liketunnel，spectacletechnique，auxiliarytechnique，numericalsimulation1引言某城市轨道交通三号线试验段，因区间多功能的需要，有单线、双线和三线，有联络线、渡线和存车线，有10种不同的隧道断面和10多种衬砌形式。各种断面交错分布，转换频繁，区间隧道结构形式异常复杂。在左线与联络线交叉处存在一喇叭口过渡段隧道，隧道断面大，埋深浅，断面变化点多，且隧道顶部离30#楼桩基很近。初步设计方案采用浅埋暗挖法施工，复合式衬砌，利用2座竖井作为隧道施工的运输通道。第23卷第15期丁春林等.城市地铁喇叭口过渡段隧道施工技术研究及数值模拟分析•2529•由于隧道拱顶围岩位于强风化层中，且地表沉降要求严格，因此，有必要对喇叭口过渡段隧道的施工方法进行研究。针对区间喇叭口过渡段隧道的特点，提出采用眼镜工法即双侧壁导坑法+辅助工法施工，并采用弹塑性有限单元法对工法按施工步进行分步模拟计算，为施工、设计提供依据。2施工方法位于左线与联络线交叉处的喇叭口过渡段隧道，隧道断面大，埋深浅(17.0m左右)，断面变化点多，其中，G，I型断面设计尺寸分别为14.34m×10.993m和15.7m×11.406m(按国际隧协的隧道断面划分均为超大断面)，且隧道处于围岩分类为Ⅳ类的强风化泥钙质粉砂岩和粉砂质泥岩中，隧道顶部离30#楼桩基很近，在这种地质和环境条件下施工，施工的安全性、可操作性、连续性、经济性和工期是选用施工方法应考虑的基本原则，特别是施工的安全性，必须要确保施工中地面环境稳定和地下管网正常运营，而且应确保因开挖支护引起的地面最大沉降量不超过3.0cm。通过对浅埋暗挖各种施工方法的特点、适用条件以及工期造价进行比选、研究，确定采用眼镜工法即双侧壁导坑法施工，并加强超前注浆加固、径向锚杆和工字钢横撑、立柱等辅助工法措施[1～3]。2.1注浆小导管超前支护为了减少眼镜工法施工引起的地层移动，通过在隧道拱部(120°范围内)超前打入带孔眼的小导管，小导管长4.5m，环向间距3根/m，纵向间距3.0m，小导管外插角14°，将适应不同地层的浆液注入，渗透到地层的有效范围内，以达到改变地层参数、提高地层自承能力的目的，虽然小导管本身刚度不大，但可起到加固岩层和支撑纵向梁的超前支护作用。针对工程地质情况，采用强度较高的水泥浆注入地层中扩散胶凝，在隧道周边形成一个防坍塌的固结圈，以达到加固的目的。注浆小导管的主要设计参数为：外径φ42mm，长4.5m，循环进尺3.0m，搭接长度1.5m，环向间距3根/m，纵向间距3.0m，导管外插角14°，注浆材料的水泥浆液水灰比1∶1；注浆压力0.3～0.5MPa；施工机具采用风钻和注浆泵。2.2隧道开挖与支护在注浆小导管超前支护下，采用眼镜工法施工，其施工示意图如图1所示。①～⑨，Ⅹ，Ⅺ表示施工步图1眼镜工法施工示意图Fig.1Constructiondiagramofglassesprocess开挖和支护施工顺序如下：(1)第①步施工：超前小导管注浆、土体开挖；初喷混凝土3～5cm，打径向锚杆，支立格栅钢架，挂钢筋网，复喷混凝土至设计厚度，循环进尺0.75～1.0m；(2)第②步施工(步骤同(1))，第①步超前第②步2.0～3.0m；(3)第③步施工(步骤同(1))，第②步超前第③步2.0～3.0m；(4)第④步施工(步骤同(1))，第①步超前第④步8.0～10.0m；(5)第⑤步施工(步骤同(1))，第④步超前第⑤步2.0～3.0m；(6)第⑥步施工(步骤同(1))，第⑤步超前第⑥步2.0～3.0m；(7)第⑦步施工：土体开挖，初喷混凝土4～5cm，打径向锚杆，支立格栅钢架、立柱，挂钢筋网，复喷混凝土至设计厚度，第④步超前第⑦步15.0～20.0m；(8)第⑧步施工：土体开挖，先拆除立柱，保护导坑侧壁，第⑦步超前第⑧步3.0～5.0m；(9)第⑨步施工：土体开挖，支立格栅钢架，挂钢筋网，喷混凝土，第⑥步超前第⑨步3.0～5.0m；(10)第Ⅹ步施工：拆除隔墙，施工拱部防水层，仰拱钢筋混凝土二次衬砌，第⑨步超前第Ⅹ步5.0～10.0m；(11)第Ⅺ步施工：施工拱墙防水层，拱墙二次衬砌，第Ⅹ步超前第Ⅺ步5.0～10.0m。上述施工步中，初期支护参数见表1。2.3二次模筑钢筋混凝土衬砌•2530•岩石力学与工程学报2004年表1初期支护参数Table1Parametersofprimarysupport喷混凝土锚杆钢筋网钢拱架规格厚度/mm位置规格长度/mm间距/mm×mm位置规格/mm×mm位置规格间距/mmC20350全环φ223500500×800梅花形全环双层φ8150×150全环φ25主筋4肢格栅500喇叭口过渡段隧道断面大、地质不良、围岩压力大，在初期支护、导坑内侧壁和横撑、立柱等临时支护作用下洞室已趋于基本稳定，当拆除全部临时支护时，将造成支护结构受力体系的转换，支护结构的变形将加大地表沉降，拆除过多或过长时可能使地表沉降超限或支护结构受力超限，但为了提高结构外防水层和模筑混凝土衬砌结构的整体性，在采取有效控制手段和措施的条件下，采用分段拆除临时支护、分段施筑二次衬砌的方法，根据已有经验，确定一次分段拆除的长度一般不超过5m。考虑到喇叭口过渡段隧道断面大、断面变化多等特点，二次衬砌施工中采用组合拼装模板拱架。钢筋采用出厂和现场抽样试验性能、规格合格、无锈蚀的钢筋。混凝土采用C25、抗渗等级为S8的商品混凝土。模板、钢筋和混凝土的施工质量均应符合规范要求。二次衬砌支护参数见表2。表2二次支护参数Table2Parametersofsecondarysupport混凝土钢筋防水规格厚度/mm主筋等级位置C25600φ18S8PVC防水板，全环铺设；紫铜片止水带，施工缝全环3数值计算理论为了模拟眼镜工法施工过程中隧道围岩和地表受力变形机理，本文采用地层结构法按平面弹塑性有限单元理论进行分析计算。其中，岩石或土体采用4节点等参数单元，锚杆、钢支撑和喷混凝土采用杆单元，模筑混凝土衬砌采用桁格单元。作用在各个单元上的体力和面力根据静力等效条件按虚功原理转换到各个节点上。模拟隧道开挖效应的释放节点荷载根据围岩自重应力场计算，岩土的本构关系采用理想弹塑性模型，屈服破坏准则选用Mohr-Coulomb屈服准则，非线性方程求解选用增量-初应力法[4，5]。3.1Mohr-Coulomb屈服准则Mohr-Coulomb屈服准则将岩土体的破坏条件表示为与最大主应力圆相切的一条直线，用岩土的粘聚力和内摩擦角表示，如图2所示。图2Mohr-Coulomb屈服准则Fig.2Mohr-Coulombyieldcriterion屈服准则表达式为ϕστtannn−=c(1)式(1)用主应力可表达为ϕσσϕσσsin2cos23131+−=−c(2)式(2)写成屈服函数的形式为0cos3sinsincos3sin21=−′⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+=ϕϕθθϕcJJF(3)式中：c，ϕ分别为岩土粘聚力和内摩擦角；21JJ′，分别为应力张量第1不变量和应力偏量第2不变量；θ为Lode角，且⎥⎦⎤⎢⎣⎡′′−=−23)(233arcsin3123JJθ(4)式中：32JJ′′，分别为应力偏量第2，3不变量。由于Mohr-Coulomb屈服准则简单，所需的参数容易获得且符合岩土材料的性质。因此，本次计算中采用了该准则。3.2弹塑性本构关系对于岩土材料，在材料进入塑性屈服之前，应力、应变间的关系遵从虎克定律，当材料初始屈服后，其性态为部分弹性、部分塑性。对于任何应力增量}{dσ、应变增量}{dε均为弹性分量与塑性分量两部分之和，即⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂+=+=−σλσεεεGD}{d][}{d}{d}{d1pe(5)式中：λ为塑性乘子；G为塑性势函数，对于服从关第23卷第15期丁春林等.城市地铁喇叭口过渡段隧道施工技术研究及数值模拟分析•2531•联流动法则的材料，塑性势函数G通常取该材料的加载函数F(屈服函数)。令增量弹塑性关系为}{d][}{depεσD=经公式推导可得}]{[}{][]}[]{[][][TTepααααDADDDD+−=(6)式中：[D]ep为弹塑性矩阵；[D]为弹性矩阵；A为硬化参数，对于理想弹塑性材料，A=0；}{α为流动矢量，且+⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂=⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂=⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂=σσσα11}{JJFFG⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂+⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧∂′∂⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧′