地铁区间隧道施工过程动态模拟分析

地铁区间隧道施工过程动态模拟分析摘要通过有限元对CRD法及其相关辅助工法进行隧道开挖模拟分析，总结了隧道地表沉降规律等，为沉积层中地铁区间单线双洞隧道在软弱围岩且小间距条件下，进行浅埋暗挖法设计施工提供了依据。关键词隧道工程小间距隧道CRD工法有限元地表沉降1引言拟建南京地铁二号线汉中门～首清园段区间采用单线双洞隧道，间距小、埋深浅、围岩软弱，隧道地表沉降要求≤30mm。在隧道施工过程中必须充分考虑在浅埋暗挖的情况下所采用的施工方案及其对地表沉降的影响。地下结构数值模拟分析，着重放在物理力学参数的反演确定上；而施工过程的动态模拟则强调模拟过程的实时性。由此，提出了相应的工法，并通过有限元动态模拟分析地铁隧道浅埋暗挖法开挖的整个过程。2工程概况区间隧道，线路平面为两平行单线，线间距为13．2m，净间距为7m左右，暗挖法施工，隧道为两单洞结构，跨度4．98m高为5．2m，马蹄形断面；覆土厚约7m。该区间隧道洞身穿越两大地层：①阶地地层；②漫滩地层。围岩以软土、粉土、砂土为主，下部有可塑粘性土。砂、砾石。具体地质条件为，填土由粘性土和建筑垃圾组成，层厚3m；粉质粘土呈可塑～软塑状，分布不连续，层厚2m；粉土：上质潮湿，稍密，分布不连续，层厚2m；淤泥、粉质粘土：流塑状，中间夹薄厚粉土、粉砂，层厚10m；粉土、粉细砂：土质中密，层厚20m。围岩受多期应力作用，节理、裂隙发育，岩性软弱，承载力低，自稳性差，属浅埋软弱V级围岩［1］，开挖后易坍塌，地表沉降难以控制。所选施工方案充分考虑了工程环境和地质条件，由于区间隧道穿越的是城市居民区和商业区，且总体围岩自稳能力差，施工工序多且干扰大，开挖易坍塌，地面沉降难以控制，施工难度较大，同时保证地铁隧道结构和施工安全是该方案的重点。依据已建地铁大跨度双线隧道施工的成功经验，结合本区间地质情况，确定施工方案为CRD工法［2,4］和辅助工法施工。主要技术参数为：初喷C20混凝土3～5cm；超前支护φ50小导管，长5m；拱部锚杆采用φ22的钢筋，长3．5m；对拉锚杆φ22的钢筋，贯穿中隔土;φ8的钢筋网，网格为20cm×20cm，型钢支撑采用20b轻型工字钢，间距为50cm；复喷C20混凝土30～35cm。采用开挖步骤如图1所示。图1开挖工况从左线隧道开始施工，先沿①部拱部开挖轮廓线以上施打小导管支护，注水泥水玻璃浆加固地层，同时向拱部范围施打锚杆，此时根据监控量测结果，如果地表沉降速率达到警戒值，对掌子面封闭。开挖①部土体，初喷混凝土后，架立格栅及中隔壁型钢钢架。设置边墙锚杆，挂网喷射混凝土封闭，向下开挖②部土体，①部②部土体之间错开2～3m。另一侧采用同样的方法施工。二次衬砌施作时，分段拆除临时支护，用拱架进行二次衬砌。单洞施工完毕后，施打对拉锚杆，再施工右线。3模拟计算3．l数值模拟基本原理计算采用理想弹塑性模型模拟围岩，并采用Mohr－Coulum屈服准则。隧道开挖施工过程主要包括（岩）土体分步开挖及支护结构的分部设置等。用以模拟不同施工阶段力学性态的有限元方程［2］为：（［k0］+［Δki］）{Δδi}＝{ΔFir}+{ΔFa}{i=1,M}（1）式中，M为施工阶段总数；［k0］为开挖前（岩）土体等的初始总刚度矩阵；[Δki]为施工过程中岩土体和支护结构刚度的增量或减量，其值为挖去岩土体单元及设置或拆除支护结构单元的刚度；{Δfir}为开挖释放产生的边界增量结点力矩阵，初次开挖由岩土体自重，地下水荷载，地面超载等确定，其后各步开挖由当前应力状态决定；{Δfia}为施工过程中增加的结点荷载列阵；{Δδi}为任一施工阶段产生的结点增量位移列阵。施工阶段i的位移{δi}，应变{εi}和应力{σi}为：（2）（3）{σ0}为初始应力；{δi}为各施工阶段应力增量。材料为弹塑性体时，上述计算可采用增量初应力法。在施工过程的动态仿真数值模拟分析中，以不同的开挖阶段来模拟；分部卸载由开挖面向前推进而引起，计算时选用不同的地应力释放系数，以反应不同的施工阶段的变化；分步支护，二次衬砌计算时分别采用在不同的施工阶段设置来模拟。3．2计算模型在有限元计算中，为了尽量减少二维有限元模型中边界条件对计算结果产生的不利影响，计算模型的边界范围按照以下原则进行了确定［2，3，4］：水平方向的长度为隧道跨度的4倍为限，既计算模型的水平宽度为开挖隧道跨度的4倍；垂直方向以洞跨的5惜为限，即计算模型从地表到下部计算边界的高度为洞跨的5倍。由此建立模拟隧道开挖过程的二维有限元计算模型，如图2所示。图2模型图3．3材料参数在有限元计算中，区间大跨度隧道结构的二维计算采用隧道与地层共同作用的受力模式，模拟分析各个施工阶段地层和隧道结构的受力与变形的特点。根据初步设计的要求，在每次的开挖施工过程中应力释放率［2，3，4］：初步取70％、加衬砌时为30％。在开挖过程当中，为防止开挖引起的洞周岩体的坍塌，通常采用锚杆、管棚等支护措施对其进行加固处理，以提高围岩的稳定性。因此在有限元计算时，上述加固措施按经验采取了提高其C、φ来加以模拟，模拟中，将洞周3m范围围岩，以及对拉锚杆处进行加固。对初期支护体系中的喷层混凝土，临时仰拱，立柱等采用梁单元模拟。在平面有限元计算当中，地层的物理力学指标如表1所示。表1土层和支护结构参数4计算结果与分析有限元动态仿真数值模拟计算内的主要考察结果是每个施工工序下地表的沉降和隧道拱顶的下沉量以及围岩塑性区的分布；围岩的应力场等。4．l地表沉降图3为地面沉降随开挖过程的变化曲线图，由于隧道开挖分八步进行，所以相应的沉降曲线为8条，依据反弯点，开挖所引起的地面沉降的范围大致为20～30m，地表的沉降量随着开挖深度而加大，拱顶围岩下沉量最大。左线洞顶的最大下沉量为1．45cm，洞底隆起量为0．25cm；右线最大下沉量为l．48cm，洞底隆起为0．32cm。在开挖过程中，拱顶的下沉量呈增加趋势，有可能开裂或局部掉块，但不会危及到整个断面；隧道洞身下部土体向上隆起，但很小，可以判定围岩在整个施工过程中处于稳定状态，在规范许可的范围之内。相邻两洞隧道的开挖，对拉锚杆所加强的隔土的存在，有利于上覆土层的稳定，从而使地层的沉降出现两个峰值，如图3所示。图3地表沉降曲线先开挖一侧的上方对应的沉降小于后开挖的隧道顶部地面沉降，说明开挖时，两洞身是相互影响的，而峰值间距在13m左右。4．2洞周塑性区图4是开挖完成时的洞周破坏接近度图，各曲线密集的地方表示土体破坏严重，在分步开挖施工过程中，围岩加固区对于阻止洞室顶部土体围岩屈服的形成起到了积极的作用。底部仰拱的设置改善了隧道洞身的受力状况，最终隧道围岩的屈服区如图所示，在两隧道所引起的地表最大沉降区相应的破坏也大，开挖隧道顶部大约1倍隧道跨度，2m高范围的土体需要重点支护；该大跨度隧道在第一步开挖时即出现塑性区，塑性区主要出现在拱顶、拱脚处，洞周塑性区较大，因此左右隧道的拱顶，拱脚处的支护应加强。图4洞周及围岩塑性区分布图4．3洞周土体主应力各施工阶段土体的主应力等值线均近似平行于地表，且应力量级总体较低；但随着开挖的推进，洞周士体围岩的应力分异明显，各应力也就递增；洞周中上部及拱顶的土体围岩应力集中现象最为明显，最大主应力出现在拱脚和拱顶部位。各特征点应力数值如表2所示。表2最终状态洞周土体各特征点应力数值表注：负号为压应力5结语通过平面二维有限元分析发现：a．在区间隧道开挖中采用CRD工法并辅以辅助工法能够较好地控制地表的沉降。最大沉降量为1.5cm左右，隧道底部隆起量很小；地铁区间隧道开挖地面沉降的主要影响范围大致为20m～30m。b．隧道开挖过程中，洞周围岩2m的范围需要重点支护，所以在开挖过程中，通过施打3．5m的锚杆能够满足要求；塑性区和围岩最大主应力主要出现在拱顶、拱脚处，因此左、右隧道的拱顶。拱脚处的支护应加强。综上所述，在本区间隧道开挖过程中，采用CRD工法和辅助工法的开挖方案能够较好地控制地表的沉降。通过有限元模拟分析为设计、施工提供了一定的依据。参考文献1地下铁道工程施工及验收规范．GB50299－1999北京：中国计划出版社，19992徐林生等.洋碰隧道CRD工法施工过程的动态仿真数值模拟研究．地质灾害与环境保护，2001，12（1）3丁春林，王春河．双线隧道暗挖施工技术及数值模拟研究．地下空间，2002，12（4）作者简介：章立峰，男，1980年生，硕士研究生，主要从事工程数值计算等方面研究。