韓玲沖 王 健 梁子軒

本文采用大型巖土軟件Midas-gts,結(jié)合北京東直門某地下通道工程實(shí)際,針對(duì)經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合分析和比較得出的較為適合的地下通道施工備選方法全斷面法和CD法,進(jìn)行了三維仿真分析和比較,對(duì)在全斷面法和CD法施工條件下引起的地層位移變化情況進(jìn)行了探討。

1 工程概況

擬建工程位于東直門外大街,主通道斷面形式為拱頂直墻,長(zhǎng)約64.5 m,高5.65 m,寬 6.4 m,頂板覆土4.57 m,底板埋深10.5 m,采用暗挖法施工。地下通道主通道的橫斷面見圖1。

2 施工中存在的主要問題

由于在施工中必須嚴(yán)格控制地表沉降以保證道路及相關(guān)設(shè)施的正常使用及安全,因此在施工中如何保證地表沉降在3 cm以內(nèi)成為一個(gè)亟待解決的問題,本文就這一問題進(jìn)行了探討。

3 數(shù)值模擬計(jì)算模型

1)數(shù)值模擬幾何參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系。

根據(jù)隧道施工影響區(qū)域劃分原則,寬度取36.4 m,長(zhǎng)度取64 m,高度取17.39 m,土體本構(gòu)關(guān)系采用摩爾—庫(kù)侖模型。

2)數(shù)值模型的建立見圖2,圖3。

4 三維數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 施工數(shù)值模擬結(jié)果

全斷面法施工模擬共分35個(gè)階段,階段1為初始應(yīng)力場(chǎng)的模擬,按施工方法先加固隧道周邊圍巖,然后進(jìn)行開挖。斷面的開挖遵循“超前支護(hù)→隧道開挖→初期支護(hù)→二次襯砌”的步序進(jìn)行,并按不利情況進(jìn)行處理,即隧道開挖進(jìn)尺設(shè)為2 m,實(shí)際情況為0.5 m。

CD法施工模擬共分41個(gè)階段,階段1為初始應(yīng)力場(chǎng)模擬,按施工方法先加固隧道周邊圍巖,然后進(jìn)行開挖。斷面的開挖遵循“超前支護(hù)→左洞隧道開挖→初期支護(hù)→中間支撐→開挖右洞隧道→施作初支→拆除臨時(shí)支撐→施作二襯”的步序進(jìn)行,并按不利情況處理,即隧道開挖進(jìn)尺設(shè)為2 m,實(shí)際情況為0.5 m。

1)豎向位移變化特征。隧道開挖引起周圍土體應(yīng)力重分布,在隧道拱頂以上土體產(chǎn)生向下的位移,全斷面法施工下,地表最大沉降達(dá)到6.03 cm,超出了地表最大沉降為3 cm的限制。在CD法施工條件下,地表最大沉降為1.05 cm,符合地表沉降在3 cm以內(nèi)的規(guī)定。2)橫向水平位移變化特征。全斷面法施工引起隧道左側(cè)墻中部土體橫斷面最大水平位移為2.16 cm,方向?yàn)橄蛴?右側(cè)墻中部土體橫斷面最大水平位移為2.11 cm,方向水平向左。CD法施工引起隧道左側(cè)墻中部土體橫斷面最大水平位移為1.31 cm,方向?yàn)橄蛴?右側(cè)墻中部土體橫斷面的最大水平位移為1.56 cm,方向?yàn)橄蜃蟆?/p>

4.2 CD法施工實(shí)測(cè)資料

根據(jù)施工單位提供的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料可知:土體最大沉降為0.9 cm。

4.3 分析

1)全斷面法施工與CD法施工相比,由于其開挖引起的臨空面較大,開挖后支護(hù)完成需要的時(shí)間長(zhǎng),即施工中的空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)作用比較明顯,全斷面法施工對(duì)周圍土體的擾動(dòng)較大,因此引起較大的土體沉降值和水平位移值。在工程實(shí)踐中,對(duì)地表土體沉降要求嚴(yán)格的情況下,二者相比,應(yīng)優(yōu)先選擇CD法施工。2)CD法施工和全斷面法施工引起隧道左右兩側(cè)土體的橫斷面水平位移值出現(xiàn)了不對(duì)稱分布,這和土體本身的非線性和各向異性的特性有關(guān)。另外在地下通道施工過程中,側(cè)墻中部和底板受到的彎矩較大,易導(dǎo)致側(cè)墻擠出和地板隆起現(xiàn)象,因此在設(shè)計(jì)和施工過程中要注意在受力不利位置進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)與施工,確保結(jié)構(gòu)安全。3)由數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及施工和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)綜合分析得出,CD法施工與全斷面法施工相比,CD法施工能較好地控制地表沉降和土體的水平位移問題。4)從施工實(shí)測(cè)資料和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果看,在此種施工方法和地質(zhì)條件下,采用Midas-gts軟件中的摩爾—庫(kù)侖本構(gòu)模型計(jì)算得出的結(jié)果要比實(shí)際監(jiān)測(cè)值略大,計(jì)算結(jié)果偏保守,原因是在施工數(shù)值模擬時(shí)有些條件選用的比較保守,例如:開挖進(jìn)尺為2 m,而實(shí)際工程中,開挖進(jìn)尺為0.5 m。另外在數(shù)值模擬時(shí),各個(gè)地層分界面之間都假定為水平面,而實(shí)際中地層分界面并非水平。

5 結(jié)語(yǔ)

1)在此種施工方法和地質(zhì)條件下,全斷面法施工和CD法施工相比,全斷面施工引起的地層位移較大,地表最大沉降達(dá)到6.03 cm,超出了施工沉降規(guī)定值3 cm,而用CD法施工,地表沉降僅為1.05 cm,符合施工地表沉降控制在3 mm以內(nèi)的要求。

2)由數(shù)值模擬計(jì)算和實(shí)測(cè)資料對(duì)比分析可知,在此種施工方法和地質(zhì)條件下,采用Midas-gts軟件中的摩爾—庫(kù)侖本構(gòu)模型計(jì)算得出的結(jié)果要比實(shí)際值略微偏大,計(jì)算結(jié)果偏保守。這與在數(shù)值模擬過程中有些計(jì)算條件偏于不利有關(guān)。

3)由于全斷面法施工引起隧道周圍土體的時(shí)間效應(yīng)和空間效應(yīng)較大,即工法效應(yīng),在地下工程施工過程中,工法的改變對(duì)隧道周圍土體應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生一定的影響,在具體的工程實(shí)踐中,應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要,優(yōu)化施工方法,達(dá)到科學(xué)施工的目的。

4)在地下施工過程中,應(yīng)堅(jiān)持科學(xué)監(jiān)測(cè),即監(jiān)測(cè)要做到實(shí)時(shí)全面動(dòng)態(tài),并把監(jiān)測(cè)信息和原設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較分析,總結(jié)出其中的一般規(guī)律,為以后的施工和設(shè)計(jì)提供必要的參考。

[1]東直門外斜街(東直門外大街～新東路)橋梁工程K0+140地下人行通道施工圖設(shè)計(jì)說明書[Z].北京:北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院,2008.

[2]東直門外斜街K0+140地下人行通道工程巖土工程勘察報(bào)告[R].北京:北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,2008.

[3]JTG D70-2004,公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]高 攀,馬 磊.廣州生物島至大學(xué)城隧道地下連續(xù)墻施工[J].山西建筑,2009,35(7):347-348.