地铁浅埋暗挖验证的数值分析范文

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《北方交通》2014年第五期

1计算方案

(1)隧道模拟方案计算模型为单洞马蹄形三维模型，采用摩尔－库伦准则。采用和实际工程现场台阶长度和开挖循环步骤一致的开挖方案，开挖进尺是本方案主要研究的影响因素，分别计算了2m、2.5m、3m开挖循环进尺的隧道围岩应力场和位移场。(2)模型边界条件计算模型主要为了分析开挖过程对围岩土体的扰动影响范围，不同的开挖进尺因扰动围岩而引起的隧道拱顶沉降和隧道水平收敛位移的不同变化趋势，反映到土体表面就是地表的沉降规律。根据本工程的实际情况，选取30m区间隧道(K0+140.6805～K0+170.6805)作为计算模型的范围。对平行隧道模型前进方向的两侧面施加滑动约束，限制水平位移，对模型下部底面施加固定约束，限制水平和竖向位移，为了计算地层的沉降位移，地表设为自由边界。(3)隧道模型网格和单元类型在隧道模型中，围岩中土体和衬砌全都选用C3D8R单元(C3D8R单元为线性缩减积分单元)，此单元可以控制位移结果的精确度;隧道模型中，利用扫掠网格技术模拟被挖掉的土体和衬砌，其它部分采用结构网格技术，在划分网格时选用中性轴算法和最小化网格过度，目的在于提高网格的质量，计算模型网格划分见图1。

2隧道开挖围岩位移结果分析

该市地铁隧道处于砂土地层中，对于此隧道施工开挖方法，一般采用台阶法和分部开挖法，对于土质隧道来说，隧道开挖进尺对围岩土体和地表的沉降具有相当大的影响。因本施工标段是在降水条件下进行的，所以隧道模拟过程中只考虑了自重应力，对于开挖施工中的其他荷载，比如超前注浆的压应力均不再考虑进来。

2.1隧道开挖拱顶沉降位移计算结果分析表1中H表示研究断面与开挖面的间距，取模型中的某个断面(K0+150.6805)的计算结果作为研究对象，从表1计算结果来看，表中2.0m、2.5m及3.0m开挖进尺的计算结果表明，本研究中所取研究断面处的拱顶沉降量，随着开挖面的向前推进而不断增大。总体变形特征如下，当研究断面距离开挖面10m时，达到了沉降的最大值，当研究断面距离开挖面10～15m时，拱顶沉降减小，这和隧道土体开挖后的应力重分布有关，当研究断面在15～20m时拱顶沉降逐渐趋于稳定。由表1数据的发展态势来看，围岩土体拱顶沉降在开挖步由2m加快到2.5m时将提高7.5%，在开挖步由2.5m加快到3m时将提高3%左右，如果开挖步由2m直接加快到3m时，拱顶沉降有可能提高11%左右，这种施工方案存在很大的安全隐患。可见，在采取相关措施的条件下，对于3m开挖步的快速施工循环进尺在砂土质地层中是否可行，有待进一步验证。对于有严格工期要求的项目来说，可采取超前加固措施，来满足施工中拱顶沉降位移的要求。

2.2隧道开挖洞周围岩水平收敛计算结果分析表2中“+”表示向洞外变形，“－”表示向洞内变形，H表示研究断面与开挖面的间距。由表2中计算数据可知，对比三个不同的开挖步，可以总结出不同的水平位移变化特征如下:上拱处，当开挖步由2m加快到2.5m时，围岩土体水平位移向洞内的变形增加了19%左右，当开挖步由2.5m加快到3m时，围岩土体水平位移向洞内增加了12%左右;拱腰处，当开挖步由2m加快到2.5m时，围岩土体水平位移向洞内增加了13%左右，当开挖步由2.5m加快到3m时，围岩土体水平位移向洞内增加了34%左右;仰拱处，当开挖步由2m加快到2.5m时，围岩土体水平位移向洞内增加了2倍，当开挖步由2.5m加快到3m时，围岩土体水平位移向洞内增加了2.5倍;以上变化特征说明随着开挖步的增大，围岩土体向洞内变形的概率将会增加很多，施工时要采取加入锁脚锚杆的措施，防止水平收敛位移向洞内变形过大而超过施工规范要求。

2.3围岩应力计算结果分析分析隧道围岩土体在不同循环开挖进尺下的竖向应力随着开挖进尺的增大，其应力变化的幅度范围，计算模型在开挖过程中只存在土体自重，注浆应力等其他施工荷载的影响均不考虑。由图2隧道围岩土体的应力云图可知，对于S33方向的竖向受力，主要分析2m、2.5m、3m开挖步在拱顶处的竖向应力值分别为82kPa、107kPa、114kPa，方向向下，当开挖步由2m加快到2.5m，竖向应力增大了30%左右，当开挖步由2.5m加快到3m时，竖向应力增大了7%左右，为满足施工的要求，在隧道开挖前将对土层进行超前加固来防止隧道拱顶沉降过大。

2.4快速开挖进尺可行验证综合以上拱顶沉降位移、水平收敛及围岩的应力三个方面的结果，对不同的开挖循环步计算结果进行分析，对于3m开挖步的计算结果都是非常不利的，3m开挖循环进尺是否适合砂土层的地质状况，取三维模型中的K0+155.6805断面作为研究对象对快速施工开挖的可行性进行验证。计算结果见表3。表3围岩拱顶沉降及拱腰收敛的位移计算结果表(单位:mm)与掌子面间距/m正常开挖加固后开挖拱顶沉降拱腰收敛拱顶沉降拱腰收敛000001－2.136530.2080－2.07518－0.13815－2.34168－0.7092－2.3352－0.756410－2.37042－1.0381－2.36251－1.073215－2.30109－1.0855－2.27025－1.1192对表3中计算数据结果进行研究分析，在采取加固措施后，隧道开挖的围岩拱顶沉降和拱腰水平收敛位移都减小了，且隧道拱腰水平收敛趋势都是向洞内发展，拱顶沉降位移和水平收敛位移都在20mm的可控制范围之内，可见隧道在采取相关的加固措施后3m开挖循环进尺在砂土地层中是可行的，从而验证了隧道快速开挖的可行性。

3结语

按隧道开挖进尺增大步序0.5m进行有限元数值计算，结果表明:隧道围岩的拱顶沉降和水平收敛随循环进尺的增大而增加，为防止隧道拱顶沉降、水平收敛及拱顶竖向应力过大，要求在隧道开挖前采取超前加固满足安全施工要求;在砂土质地层中，采取超前加固措施的条件下，采用循环进尺3m进行快速开挖具有可行性，此可行性已在该市经实践验证。

作者：郑继强单位：四川建筑职业技术学院