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)〕

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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