地鐵隧道水平局部?jī)鼋Y(jié)施工應(yīng)力與位移場(chǎng)數(shù)值模擬分析

摘要:北京地鐵大北窯區(qū)間在我國(guó)首次采用水平凍結(jié)施工,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)水平凍結(jié)施工引起的地表變形十分重要。文章介紹利用FLAC 軟件對(duì)該工程進(jìn)行的施工隧道應(yīng)力及位移場(chǎng)數(shù)值模擬研究。關(guān)鍵詞:地鐵隧道　水平凍結(jié)　凍結(jié)壁　地表變形　數(shù)值模擬
　　凍結(jié)法由于具有高強(qiáng)、阻水、均勻、靈活、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn),在日本及歐洲各國(guó)的城市地鐵等市政工程中都有廣泛應(yīng)用。我國(guó)在北京、上海地鐵施工中也采用過(guò)局部?jī)鼋Y(jié)技術(shù),但地鐵隧道的水平凍結(jié)施工在我國(guó)還沒(méi)有先例。北京地鐵大北窯車(chē)站區(qū)間隧道施工首次成功地采用了水平凍結(jié)技術(shù),水平凍結(jié)長(zhǎng)度40 余米。工程地處交通樞紐,交通繁忙、建筑眾多,隧道上覆多條地下市政管線(xiàn)。凍結(jié)施工伴有凍脹和融降現(xiàn)象,過(guò)量的凍脹量和融降量將使地下管線(xiàn)及地上的建筑物、道路等受到影響甚至破壞,因此,研究和預(yù)測(cè)城市地鐵隧道水平凍結(jié)對(duì)地下管線(xiàn)、地表變形的影響規(guī)律十分必要。
1 　工程簡(jiǎn)介
北京地鐵大北窯區(qū)間隧道局部水平凍結(jié)施工工程距大北窯車(chē)站東側(cè)40 m , 位于建外大街與東三環(huán)的交叉處,有多條地下管線(xiàn),隧道頂部有2 m 厚的粉細(xì)砂層,由于多條管線(xiàn)滲漏,致使粉細(xì)砂土飽和。隧道暗挖施工時(shí)出現(xiàn)流砂坍塌,為保障地面立交橋的安全暢通, 隔斷門(mén)向西40 m 隧道采用局部水平凍結(jié)法施工。地質(zhì)情況為:0～ -115 m 為雜填土層, -115～ -1015 m 為輕亞粘土層, -1015～ -1215 m 為粉細(xì)砂層, -1215 ～ -1815 m 為圓礫石層,隧道底部-1815～ -2215 m 為輕亞粘土層。
2 　FLAC 軟件及模型的建立
FLAC 軟件即連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析軟件,是目前世界上最優(yōu)秀的巖土力學(xué)數(shù)值計(jì)算軟件之一,在模擬支護(hù)體方面可提供梁、樁、錨桿、殼體等多種結(jié)構(gòu)單元,非常適合于研究隧道開(kāi)挖等巖土工程問(wèn)題。
211 　施工隧道的數(shù)值分析模型
選取凍結(jié)法施工隧道的橫斷面作為開(kāi)挖模擬的力學(xué)幾何模型,以現(xiàn)場(chǎng)原型工程為研究對(duì)象。考慮問(wèn)題的對(duì)稱(chēng)性,取一半建立模型,待開(kāi)挖的隧道斷面取半徑為3 m 的圓形,上覆蓋土層厚12 m , 隧道底板土層厚度分別取10 m 和23 m , 滿(mǎn)足大于隧道開(kāi)挖影響范圍3～ 5 倍的要求。力學(xué)模型尺寸為23 m ×28 m , 按平面應(yīng)變問(wèn)題求解,模型底部邊界采用固定X 、Y 方向位移約束,左、右邊界都采用固定X 方向的位移約束條件。由于原型工程屬于淺埋隧道,座落在其上方的東三環(huán)立交橋的樁基持力層在隧道底板埋深水平以下,故地表上方不需加載。212 　隧道分步開(kāi)挖模型選取工程現(xiàn)場(chǎng)隧道縱斷面作為隧道開(kāi)挖模擬的力學(xué)幾何模型,隧道縱向長(zhǎng)40 m , 斷面高112 m , 開(kāi)挖步距2 m , 上覆土層厚12 m , 隧道底部范圍土層深10 m , 平面40 m ×28 m , 網(wǎng)格劃分為1 120 單元,按平面應(yīng)變問(wèn)題求解,模型底部邊界采用固定X 、Y 方向位移約束,左右邊界采用固定X 方向約束。213 　模型的有關(guān)參數(shù)本模型采用摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則參考有關(guān)資料確定模型材料參數(shù)如表1 。

表1 　模型材料參數(shù)

3 　隧道開(kāi)挖過(guò)程數(shù)值計(jì)算結(jié)果處理
在修正模型中輸入土體初始參數(shù)后,計(jì)算分析主應(yīng)力、塑性區(qū)發(fā)展?fàn)顩r及拱頂和隧道上方地表的垂直位移過(guò)程,得到如下結(jié)論:
(1) 作為施工隧道開(kāi)挖中承受上覆地壓的主要載體 凍結(jié)壁的拱腳上出現(xiàn)應(yīng)力集中,應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)3～4 之多。
(2) 凍結(jié)壁拱腳凍土體可能會(huì)出現(xiàn)塑性屈服區(qū),這正是現(xiàn)場(chǎng)隧道收斂測(cè)試中出現(xiàn)的兩拱腳之間距離先減小后增大現(xiàn)象的根本原因。
(3) 在隧道開(kāi)挖造成土層損失引起地表下沉的過(guò)程中,由于抗壓、抗彎強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)比周?chē)馏w大得多的凍結(jié)壁減緩了隧道中線(xiàn)及附近的地表下沉,從而減少了地表下沉量。
根據(jù)PECK原理作出如下地層地表沉降預(yù)測(cè):
2
-x
S = Smax ·exp
2 i2 式中　Smax 地表最大沉降量;
i 沉降槽寬度系數(shù);
x 距隧道中心線(xiàn)距離。
取i = 0141 H ( H 為開(kāi)挖深度),繪出按PECK 公式計(jì)算的地面沉降曲線(xiàn)(見(jiàn)圖1) 。

圖1 　地表沉降曲線(xiàn)圖

比較表明,由模擬得到的地面沉降曲線(xiàn)與PECK 公式的曲線(xiàn)相一致。從圖1 可知,隧道開(kāi)挖后形成的地表沉降槽在垂直隧道軸線(xiàn)方向上的影響范圍為隧道外側(cè)約215 倍洞徑。將沉降槽近似看成三角形,沉降槽的平均傾斜率ΔT = SmaxΠW = 01000 75( W 為沉降槽的半寬) 。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ7 —89) 的規(guī)定,對(duì)于高度< 60 m 的多高層建筑,基礎(chǔ)的允許傾斜率≤01003 ,所以隧道水平凍結(jié)施工引起的正常地面沉降不會(huì)使地面建筑和混凝土路面遭到破壞。
改變凍結(jié)壁厚度(018 m、112 m、115 m、118 m) 得到 地表沉降與凍結(jié)壁關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖2 。

圖2 　地表沉降與凍結(jié)壁厚度的關(guān)系

　　　從以上圖形可得出如下結(jié)論:
(1) 凍結(jié)壁的厚度參數(shù)是隧道水平凍結(jié)施工中的一個(gè)重要參數(shù),凍結(jié)壁對(duì)控制地表沉降的作用很明顯。地表沉降在凍結(jié)壁厚度S = 112 m 時(shí)為12 mm , S = 018 m 時(shí)為16 mm(增加60 %), S = 115 m 時(shí)為10 mm(減少了20 %) 。
(2) 對(duì)于原型工程,其他條件(開(kāi)挖步距、臺(tái)階工作面長(zhǎng)度及掘砌工藝等) 不變時(shí),凍結(jié)壁厚度可降為018 m ,此時(shí)地表沉降量為16 mm ,滿(mǎn)足北京地鐵施工地表沉降量最大允許值30 mm 的要求,取一倍安全系數(shù),得到合理的凍結(jié)壁厚度為115 m。
4 　隧道開(kāi)挖施工動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬
采用虛擬支撐力法來(lái)模擬開(kāi)挖斷面的空間效應(yīng)。在正臺(tái)階工作面長(zhǎng)度為4 m、開(kāi)挖步距2 m 以及其他條件都與現(xiàn)場(chǎng)相同的情況下,在模擬程序中設(shè)置隧道的順次開(kāi)挖拱頂及地表監(jiān)測(cè)點(diǎn),拱頂處從點(diǎn)( i = 4 , j = 17) 開(kāi)始, 每隔2 m 設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn), 直至( i = 12 , j = 17) ,前后共設(shè)5 個(gè)測(cè)點(diǎn);隧道中線(xiàn)垂直上方地表從點(diǎn)( i = 1 , j = 29) 開(kāi)始,每隔2 m 設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn),直至( i = 33 , j = 29) ,前后共設(shè)17 個(gè)測(cè)點(diǎn)。分析隧道中線(xiàn)垂直上方地表各點(diǎn)、拱頂各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)得到如下結(jié)論:
(1) 當(dāng)掌子面開(kāi)挖到與測(cè)點(diǎn)距離相差110～115 倍洞徑時(shí),隧道開(kāi)挖就對(duì)地表產(chǎn)生影響,造成一定范圍的沉降。
(2) 當(dāng)開(kāi)挖工作面推進(jìn)到距離超過(guò)測(cè)點(diǎn)2～3 倍洞徑時(shí),變形速率逐漸穩(wěn)定下來(lái),主要是地層的變形逐漸趨于平緩。
在開(kāi)挖第5 步時(shí),改變開(kāi)挖步距( L 0 = 2 m、3 m、4 m) ,得到拱頂測(cè)點(diǎn)( i = 1 , j = 17) 的位移沉降歷史圖(圖3) 。　　分析表明,在開(kāi)挖步距L0 = 4 m 的情況下,檢測(cè)點(diǎn)
注:菱形點(diǎn)、方點(diǎn)及三角點(diǎn)分別代表開(kāi)挖步距為2 、3 、4 m 。

圖3 　不同開(kāi)挖步距對(duì)應(yīng)的拱頂沉降歷史

　

( i = 1 , j = 17) 地表下沉量約為L(zhǎng) 0 = 1 m 的117 倍。在現(xiàn)有施工能力及組織水平的基礎(chǔ)上,根據(jù)圖示的數(shù)據(jù)比較,考慮選擇開(kāi)挖步距L0 = 3 m 是較為合理的。在開(kāi)挖第5 步時(shí),改變臺(tái)階工作面長(zhǎng)度( L = 2 m 、3 m、6 m) ,得到地表測(cè)點(diǎn)( i = 1 , j = 43) 的沉降歷史圖(圖4) 。
注:菱形點(diǎn)、方點(diǎn)及三角點(diǎn)分別代表開(kāi)挖步距為2 、3 、4 m 。

圖4 　不同臺(tái)階工作面長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的地表沉降歷史

　 分析表明,適當(dāng)降低臺(tái)階工作面長(zhǎng)度對(duì)地表沉陷及拱頂下沉量的影響不大,但增大臺(tái)階工作面長(zhǎng)度卻能明顯地減少地表的沉陷值及隧道的收斂變形值。在北京復(fù)—八線(xiàn)采用水平凍結(jié)法施工時(shí),臺(tái)階工作面的合理優(yōu)化長(zhǎng)度L = 5 m 。
5 　結(jié)論
(1) 通過(guò)基于原型工程的數(shù)值模擬可得到隧道水平凍結(jié)法開(kāi)挖施工中應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)分布特征。
(2) 通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到的考慮地表沉降情況下的合理凍結(jié)壁厚度為115 m 。
(3) 通過(guò)隧道開(kāi)挖施工動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬,得到隨著工作面的推進(jìn),隧道上方地表各點(diǎn)的沉降規(guī)律為:當(dāng)掌子面開(kāi)挖到與測(cè)點(diǎn)距離1～115 倍洞徑時(shí),隧道開(kāi)挖就開(kāi)始對(duì)地表產(chǎn)生影響,造成一定范圍的沉降;當(dāng)開(kāi)挖到距離超過(guò)測(cè)點(diǎn)2～3 倍洞徑時(shí),該地表變形速率逐漸趨于平緩。
(4) 通過(guò)數(shù)值計(jì)算,得到北京地區(qū)地質(zhì)條件下水平凍結(jié)法施工的合理開(kāi)挖步距L 0 = 3 m 和合理臺(tái)階工作面長(zhǎng)度L = 5 m 。