李 震 吳宏基 尹曉亮

隧洞及地下洞室圍巖喪失穩(wěn)定性,是由于圍巖的應(yīng)力水平達(dá)到或超過(guò)巖體的強(qiáng)度范圍較大,形成了一個(gè)連續(xù)貫通的塑性區(qū)和滑動(dòng)面,產(chǎn)生較大位移最終導(dǎo)致失穩(wěn)。因此,隧洞圍巖穩(wěn)定性研究的實(shí)質(zhì)是分析和評(píng)價(jià)圍巖巖體介質(zhì)的應(yīng)力和變形。對(duì)于淺埋暗挖法工程工法,目前多采用以巖石力學(xué)原理為基礎(chǔ)的、考慮支護(hù)與圍巖共同作用的地下工程現(xiàn)代支護(hù)理論作為理論支持,在地下工程圍巖穩(wěn)定性開展計(jì)算機(jī)數(shù)值分析?？梢杂脕?lái)求解彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性的問(wèn)題,是地下工程掩體應(yīng)力應(yīng)變分析最常用的方法。本文針對(duì)淺埋暗挖中洞法的施工特點(diǎn),結(jié)合北京地鐵四號(hào)線陶然亭站工程,利用大型有限元計(jì)算程序MIDAS-GTS對(duì)其初期支護(hù)過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬,可供今后類似施工參考借鑒,并對(duì)今后類似施工提出了建議。

1 工程概況

北京地鐵四號(hào)線陶然亭站位于菜市口南大街與白紙坊路交叉十字路口,車站沿菜市口南大街南北布置,兩端采用明挖法施工,受地下管線及交通影響,車站中部跨路口地段采用淺埋暗挖中洞法施工。暗挖段長(zhǎng)度46.56 m,位于車站中部K5+466.72～K5+513.28段,車站中心里程K5+490,暗挖段覆土厚度9.5 m左右,設(shè)計(jì)采用單層單柱連拱復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)形式,設(shè)計(jì)斷面最大開挖寬度20.994 m,最大開挖高度11.091 m。

根據(jù)勘察設(shè)計(jì)提供的情況看,本站地下水為層間潛水,水位標(biāo)高為22.73～24.01,基本接近暗挖仰拱底標(biāo)高。

2 施工方法

暗挖段超前支護(hù)采用超前長(zhǎng)管棚對(duì)拱部地層超前注漿預(yù)加固,結(jié)構(gòu)主體初期支護(hù)采用格柵鋼架與網(wǎng)噴混凝土聯(lián)合支護(hù),噴射混凝土厚度350 mm,格柵鋼架縱向間距0.5 m,臨時(shí)支護(hù)采用型鋼鋼架與網(wǎng)噴混凝土聯(lián)合支護(hù),噴射混凝土厚度300 mm,臨時(shí)支護(hù)鋼架配合主體結(jié)構(gòu)鋼架縱向間距0.5 m,初期支護(hù)結(jié)構(gòu)形式斷面如圖1所示。

初期支護(hù)共分15個(gè)洞室,開挖分9步,車站主體暗挖段具體開挖及初支施工步序如下:1)采用臺(tái)階法開挖中洞1洞室。2)當(dāng)1洞室開挖進(jìn)尺5 m后,開始開挖2洞室。2洞室開挖采用預(yù)留減壓槽方式開挖,后續(xù)施工與1洞室相同,當(dāng)2洞室開挖進(jìn)尺5 m后,開始開挖3洞室,3洞室開挖方法同2洞室。3)中洞結(jié)構(gòu)必須施工完畢后,將中洞內(nèi)的頂縱梁、底縱梁與初期支護(hù)間用Ⅰ22b頂緊,以保證頂縱梁、底縱梁穩(wěn)定。4)4洞室開挖時(shí),先挖拱部,預(yù)留核心土,核心土留置長(zhǎng)度不小于1.5 m,弧形導(dǎo)坑開挖,掛網(wǎng)噴混,然后開挖仰拱,掛網(wǎng)噴混支立格柵封閉成環(huán)。5)5洞室～9洞室開挖:其開挖方法與4洞室開挖方法相似,每個(gè)洞室之間錯(cuò)開5 m,相鄰兩洞室之間錯(cuò)開15 m。

3 施工過(guò)程模擬計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

有限元計(jì)算模型采用選取一定地層區(qū)域進(jìn)行開挖的三維模型,模擬地層區(qū)域的寬度左右兩側(cè)取為洞室跨度的2.5倍左右,洞身沿軸線方向取為本工程暗挖段長(zhǎng)度46.5 m,豎向上部取至地表,下部取為洞室開挖高度的3倍左右,模型尺寸為120 m×50.6 m×46.5 m。模型有64 276個(gè)單元、256 315個(gè)節(jié)點(diǎn),為簡(jiǎn)化分析,對(duì)圍巖及支護(hù)材料均作理想彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行處理,采用摩爾—庫(kù)侖強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則來(lái)判斷洞室周圍的地層是否進(jìn)入塑性狀態(tài)。計(jì)算模型如圖2所示。

3.2 地層和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

大管棚超前支護(hù)及小導(dǎo)管預(yù)注漿加固圍巖作用采用等效參數(shù)法模擬,各主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各主要物理力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示,當(dāng)暗挖段施工完畢后,地表沉降最大值在沿隧道走向中線上,其值為-73.2 mm?，F(xiàn)場(chǎng)施工中進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)測(cè)得地表沉降最大值為-64.89 mm。取模型沿走向方向長(zhǎng)度的中線開挖橫斷面與實(shí)測(cè)兩斷面進(jìn)行對(duì)比曲線如圖3所示。

取在現(xiàn)場(chǎng)施工中離隧道中線1 m的測(cè)點(diǎn)cz-001-08地表沉降隨開挖過(guò)程中的實(shí)際變化曲線如圖4所示,而在同位置計(jì)算模型地表沉降隨開挖步變化曲線如圖5所示。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果,從地表斷面沉降曲線圖中可以明顯看出,越靠近隧道走向中線,地表沉降越大,因此必須嚴(yán)格控制拱頂注漿及各步開挖過(guò)程以降低施工的危險(xiǎn)性。

從測(cè)點(diǎn)地表沉降曲線圖中可以明顯看出:1)在中洞開挖,中洞臨時(shí)支撐拆除及施作中洞結(jié)構(gòu)中,地表沉降變化比較明顯,而中洞開挖,臨時(shí)支撐拆除也是中洞法施工的關(guān)鍵,因此要嚴(yán)格控制中洞開挖工序和盡量縮短一次性拆除臨時(shí)支撐的長(zhǎng)度;2)在側(cè)洞開挖過(guò)程中,持續(xù)對(duì)地層進(jìn)行擾動(dòng),并引起拱頂?shù)某掷m(xù)沉降,因此在側(cè)洞施工中嚴(yán)格控制施工導(dǎo)線和施工工序,盡量減少對(duì)中洞結(jié)構(gòu)和中洞拱頂土層的擾動(dòng)。

模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相差不大,且變化趨勢(shì)大致相同,空間有限元能夠較好的模擬大斷面洞室的施工過(guò)程。

[1] 孫 鈞.地下結(jié)構(gòu)有限元分析[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2005.

[2] 關(guān)寶樹.隧道設(shè)計(jì)要點(diǎn)集[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3] 胡學(xué)兵,喬玉英.偏壓連拱隧道施工方法數(shù)值模擬研究[J].地下空間,2005(3):59-63.

[4] 王 偉.不同施工順序?qū)ζ珘哼B拱隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響分析[J].西部探礦工程,2004(10):108-111.

[5] 蔣樹屏,劉元雪,趙尚毅,等.淺埋偏壓黃土連拱隧道施工方案有限元數(shù)值模擬[J].公路交通技術(shù),2006(1):95-99.