韓 碩,宋月楊,孫明志
(1.遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,遼寧 錦州 121001;2.遼寧省錦州市市政工程總公司,遼寧 錦州 121000;3.吉林大學(xué) 交通學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130022)
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單跨一次扣拱暗挖技術(shù)數(shù)值模擬研究
韓碩1,宋月楊2,孫明志3
(1.遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,遼寧 錦州121001;2.遼寧省錦州市市政工程總公司,遼寧 錦州121000;3.吉林大學(xué) 交通學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春130022)
摘要:文章針對(duì)長(zhǎng)春地鐵解放大路站單跨一次扣拱暗挖風(fēng)道工程,運(yùn)用數(shù)值模擬方法,采用有限差分軟件FLAC 3D,分析研究單跨一次扣拱暗挖逆作風(fēng)道對(duì)工程的適用性,并對(duì)導(dǎo)洞開(kāi)挖順序進(jìn)行優(yōu)化分析,從而提出最優(yōu)施工方案,指導(dǎo)實(shí)際工程施工。結(jié)果證明,該研究具有一定的實(shí)際意義,可為同類(lèi)工程提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞:一次扣拱;暗挖逆作;地鐵風(fēng)道;FLAC 3D軟件
0引言
一次扣拱暗挖逆作法最先在北京地鐵黃莊站修建時(shí)提出,這是一種新的修建大型地下建筑工程的暗挖工法,克服了傳統(tǒng)CRD和PBA兩類(lèi)暗挖法存在的若干問(wèn)題,可以一次形成完整的穩(wěn)定受力結(jié)構(gòu),減少施工工序和結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換次數(shù),增強(qiáng)結(jié)構(gòu)施工期間的穩(wěn)定性,確保結(jié)構(gòu)安全[1-4]。
目前,國(guó)內(nèi)已有多座地鐵車(chē)站的主體工程運(yùn)用本工法修建,證明此工法的可靠性。但是,對(duì)于單跨一次扣拱法修建地鐵風(fēng)道的實(shí)際案例及相應(yīng)研究都相對(duì)較少,本文針對(duì)具體工程實(shí)例,通過(guò)數(shù)值模擬方法,采用大型有限差分軟件FLAC 3D研究單跨一次扣拱暗挖逆作法對(duì)本工程的適用性,并對(duì)不同的施工方案進(jìn)行優(yōu)化分析[5-8]。
1工程概況
長(zhǎng)春地鐵解放大路站位于人民大街與解放大路交匯處,是地鐵1號(hào)線和2號(hào)線換乘車(chē)站,區(qū)間配有聯(lián)絡(luò)線和單渡線。1號(hào)線車(chē)站主體為島式站臺(tái),標(biāo)準(zhǔn)雙層三跨拱頂直墻結(jié)構(gòu),采用一次扣拱暗挖逆作法施工,暗挖車(chē)站主體總長(zhǎng)為235.6 m,覆土為8.8~9.8 m。2號(hào)線車(chē)站主體為側(cè)式站臺(tái),標(biāo)準(zhǔn)雙層雙跨拱頂直墻結(jié)構(gòu),采用6導(dǎo)洞PBA工法施工,暗挖車(chē)站主體長(zhǎng)為206.7 m,覆土為7.5~9.5 m。
本工程范圍內(nèi)地層由第四系全新統(tǒng)人工填土層、第四系中更新統(tǒng)沖洪積粘性土和砂土、白堊系泥巖組成;地層存在3層地下水,第1層為孔隙性潛水,第2層為淺層承壓水,第3層為巖石裂隙水,無(wú)穩(wěn)定地下水位。
解放大路站1號(hào)風(fēng)道原設(shè)計(jì)采用單跨一次扣拱暗挖逆作法施工,上下導(dǎo)洞均采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法,洞室開(kāi)挖前施作超前管棚及小導(dǎo)管注漿加固地層,導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后一次性施做邊樁頂拱,較早地形成完整穩(wěn)定的受力結(jié)構(gòu),風(fēng)道高度為20.8 m,最寬處為15.3 m。具體開(kāi)挖工序如圖1所示。
圖1 單跨一次扣拱暗挖風(fēng)道施工步驟
2數(shù)值模擬方案
數(shù)值模擬采用FLAC 3D有限差分軟件,該程序自美國(guó)ITASCA公司推出后,已成為目前巖土力學(xué)計(jì)算中的重要數(shù)值方法之一[9]。
本工程地層材料采用摩爾-庫(kù)倫模型,根據(jù)工程實(shí)際地質(zhì)情況,簡(jiǎn)化為3個(gè)土層。初支及二襯均采用實(shí)體單元模擬,地層和材料的應(yīng)力、應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化,各材料的力學(xué)參數(shù)根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)原位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)綜合確定,選取情況見(jiàn)表1所列。將材料取為彈性材料,運(yùn)行平衡后將材料改成摩爾-庫(kù)倫材料計(jì)算初始應(yīng)力,開(kāi)挖過(guò)程中不考慮地下水的影響。小導(dǎo)管注漿及管棚等超前支護(hù)簡(jiǎn)化為2 m厚的注漿加固層,考慮到邊界效應(yīng),模型取寬為60 m,高為50 m,縱向取單位長(zhǎng)度。施工過(guò)程根據(jù)工程實(shí)際分8個(gè)步驟模擬。模型如圖2所示。
表1 模型物理力學(xué)參數(shù)
圖2單跨一次扣拱暗挖風(fēng)道模型圖
3結(jié)果分析
3.1施工過(guò)程模擬分析
洞室開(kāi)挖對(duì)周邊圍巖產(chǎn)生擾動(dòng),造成應(yīng)力釋放,土體變形將引起地表沉降,由于地表沉降便于監(jiān)測(cè),所以為分析與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)開(kāi)挖洞室穩(wěn)定性的重要數(shù)據(jù)[10]。
本工程單跨一次扣拱暗挖逆作風(fēng)道的數(shù)值模擬,根據(jù)具體施工方案分8個(gè)步驟模擬開(kāi)挖過(guò)程,圖3所示為施工完成后最終沉降云圖。
地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿著中軸線對(duì)稱(chēng)布置9個(gè),每個(gè)間隔5 m,即最遠(yuǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、9距離中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)5有20 m。圖4所示為各施工步驟下地表沉降變化曲線;圖5所示為各地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線。
圖3 施工完成最終沉降云圖
圖4 各施工步驟地表沉降曲線
圖5 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線
由于本工程是對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖,由圖4所示沉降曲線沿地表中線向兩邊成凹槽型分布。導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程產(chǎn)生的地表沉降占總沉降的70.4%,拆初支施作二襯及其他工序占總沉降的29.6%,可見(jiàn)導(dǎo)洞開(kāi)挖方法和順序的選擇對(duì)地表總沉降的控制有重要影響。地表最大沉降值為28.1 mm,滿(mǎn)足控制要求。
3.2導(dǎo)洞開(kāi)挖順序優(yōu)化分析
本工程采用的單跨一次扣拱暗挖逆作法有上下2層導(dǎo)洞,因?yàn)閷?dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)地表沉降有重要影響,所以本文通過(guò)數(shù)值模擬法,研究最優(yōu)化的導(dǎo)洞開(kāi)挖順序,將導(dǎo)洞開(kāi)挖順序分為“先上后下”與“先下后上”2種方案,其他條件固定,2種工況上下洞室均采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法,主體暗挖逆作施工。圖6所示為2種不同工況下地表沉降曲線。
比較2種導(dǎo)洞開(kāi)挖順序在導(dǎo)洞完成后和二襯完成后的沉降曲線,“先下后上”工法優(yōu)于“先上后下”工法,但兩者差距在5%以?xún)?nèi)。
對(duì)比2種方案,其塑性區(qū)云圖如圖7所示。
圖6 不同開(kāi)挖順序地表沉降曲線
圖7 2種方案施工完成塑性區(qū)對(duì)比
比較2種工序塑性區(qū)分布,可看出先開(kāi)挖上部導(dǎo)洞,再開(kāi)挖下部導(dǎo)洞,會(huì)加大上側(cè)導(dǎo)洞周?chē)苄詤^(qū)的分布范圍,而先開(kāi)挖下部導(dǎo)洞,待開(kāi)挖下部導(dǎo)洞對(duì)上側(cè)覆土的擾動(dòng)基本穩(wěn)定后,再開(kāi)挖上部導(dǎo)洞有利于控制塑性區(qū)的分布。從施工完成后的塑性區(qū)分布上,“先下后上”工序也明顯優(yōu)于“先上后下”工序。因此,解放大路站1號(hào)風(fēng)道施工應(yīng)優(yōu)先選擇“先下后上”的導(dǎo)洞開(kāi)挖順序。
4結(jié)束語(yǔ)
本文通過(guò)數(shù)值模擬法分析了單跨一次扣拱暗挖逆作法對(duì)長(zhǎng)春地鐵解放大路站的適用性,結(jié)果表明,此工法施工完成后,地表最大沉降為28.1 mm,說(shuō)明此工法在長(zhǎng)春的地質(zhì)條件下施工,可以較好地控制地表沉降。
本文通過(guò)對(duì)單跨一次暗挖逆作法導(dǎo)洞開(kāi)挖順序進(jìn)行優(yōu)化分析,綜合各種因素認(rèn)為應(yīng)優(yōu)先選擇“先下后上”的導(dǎo)洞開(kāi)挖順序。
〔參考文獻(xiàn)〕
[1]黃美群.一次扣拱暗挖逆作法修建地鐵車(chē)站新技術(shù)[J] .都市快軌交通,2009,22(6):66-70.
[2]張梅.地鐵車(chē)站暗挖逆筑法設(shè)計(jì)施工技術(shù)研究[D] .成都:西南交通大學(xué),2002.
[3] 王夢(mèng)恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].合肥:安徽教育出版社,2005.
[4]黃美群.北京地鐵黃莊站地下結(jié)構(gòu)工程技術(shù)創(chuàng)新 [J].都市快軌交通,2012,25(5):84-87.
[5]Yuan Y, Liu W N, Ding D Y, et al. Three-Dimensional Numerical Analysis on Heading Construction of Metro Station by Drift-PBA Method [J].Advanced Materials Research,2011(243):3423-3426.
[6]Hou Y M,Wang J H,Zhang L L.Three-dimensional numerical modeling of a deep excavation adjacent to shanghai metro tunnels[M].Computational Science-ICCS 2007.
[7]Xianguo C, Bo G. 2D FEM Numerical simulation for closely-spaced parallel tunnels in metro[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002,9:1330-1334.
[8]Li Z, Zeng Y, Liu G.Numerical simulation of displacement transfer law of excavation adjacent metro station[J].Rock and Soil Mechanics,2008(11):3104-3108.
[9]彭文斌.FLAC 3D實(shí)用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.
[10]洛建軍,張頂立,王夢(mèng)恕,等.淺埋暗挖車(chē)站施工地表沉降實(shí)測(cè)分析[J].鐵道建筑技術(shù),2006(5):1-4.
收稿日期:2016-03-14;修改日期:2016-03-18
作者簡(jiǎn)介:韓碩(1988-),女,遼寧北票人,碩士,遼寧工業(yè)大學(xué)助教.
中圖分類(lèi)號(hào):U231.3
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1673-5781(2016)02-0257-03