淺埋暗挖中洞法初期支護施工三維數值模擬

李 震 吳宏基 尹曉亮

隧洞及地下洞室圍巖喪失穩定性,是由于圍巖的應力水平達到或超過巖體的強度范圍較大,形成了一個連續貫通的塑性區和滑動面,產生較大位移最終導致失穩。因此,隧洞圍巖穩定性研究的實質是分析和評價圍巖巖體介質的應力和變形。對于淺埋暗挖法工程工法,目前多采用以巖石力學原理為基礎的、考慮支護與圍巖共同作用的地下工程現代支護理論作為理論支持,在地下工程圍巖穩定性開展計算機數值分析。可以用來求解彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性的問題,是地下工程掩體應力應變分析最常用的方法。本文針對淺埋暗挖中洞法的施工特點,結合北京地鐵四號線陶然亭站工程,利用大型有限元計算程序MIDAS-GTS對其初期支護過程進行三維數值模擬,可供今后類似施工參考借鑒,并對今后類似施工提出了建議。

1 工程概況

北京地鐵四號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,設計采用單層單柱連拱復合襯砌結構形式,設計斷面最大開挖寬度20.994 m,最大開挖高度11.091 m。

根據勘察設計提供的情況看,本站地下水為層間潛水,水位標高為22.73～24.01,基本接近暗挖仰拱底標高。

2 施工方法

暗挖段超前支護采用超前長管棚對拱部地層超前注漿預加固,結構主體初期支護采用格柵鋼架與網噴混凝土聯合支護,噴射混凝土厚度350 mm,格柵鋼架縱向間距0.5 m,臨時支護采用型鋼鋼架與網噴混凝土聯合支護,噴射混凝土厚度300 mm,臨時支護鋼架配合主體結構鋼架縱向間距0.5 m,初期支護結構形式斷面如圖1所示。

初期支護共分15個洞室,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)采用臺階法開挖中洞1洞室。2)當1洞室開挖進尺5 m后,開始開挖2洞室。2洞室開挖采用預留減壓槽方式開挖,后續施工與1洞室相同,當2洞室開挖進尺5 m后,開始開挖3洞室,3洞室開挖方法同2洞室。3)中洞結構必須施工完畢后,將中洞內的頂縱梁、底縱梁與初期支護間用Ⅰ22b頂緊,以保證頂縱梁、底縱梁穩定。4)4洞室開挖時,先挖拱部,預留核心土,核心土留置長度不小于1.5 m,弧形導坑開挖,掛網噴混,然后開挖仰拱,掛網噴混支立格柵封閉成環。5)5洞室～9洞室開挖:其開挖方法與4洞室開挖方法相似,每個洞室之間錯開5 m,相鄰兩洞室之間錯開15 m。

3 施工過程模擬計算分析

3.1 計算模型

有限元計算模型采用選取一定地層區域進行開挖的三維模型,模擬地層區域的寬度左右兩側取為洞室跨度的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個單元、256 315個節點,為簡化分析,對圍巖及支護材料均作理想彈塑性應力應變關系進行處理,采用摩爾—庫侖強度屈服準則來判斷洞室周圍的地層是否進入塑性狀態。計算模型如圖2所示。

3.2 地層和支護結構物理力學參數

大管棚超前支護及小導管預注漿加固圍巖作用采用等效參數法模擬,各主要物理力學參數見表1。

表1 各主要物理力學參數

4 計算結果

計算結果顯示,當暗挖段施工完畢后,地表沉降最大值在沿隧道走向中線上,其值為-73.2 mm。現場施工中進行監控量測測得地表沉降最大值為-64.89 mm。取模型沿走向方向長度的中線開挖橫斷面與實測兩斷面進行對比曲線如圖3所示。

取在現場施工中離隧道中線1 m的測點cz-001-08地表沉降隨開挖過程中的實際變化曲線如圖4所示,而在同位置計算模型地表沉降隨開挖步變化曲線如圖5所示。

5 結語

根據模擬結果和現場量測結果,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,因此必須嚴格控制拱頂注漿及各步開挖過程以降低施工的危險性。

從測點地表沉降曲線圖中可以明顯看出:1)在中洞開挖,中洞臨時支撐拆除及施作中洞結構中,地表沉降變化比較明顯,而中洞開挖,臨時支撐拆除也是中洞法施工的關鍵,因此要嚴格控制中洞開挖工序和盡量縮短一次性拆除臨時支撐的長度;2)在側洞開挖過程中,持續對地層進行擾動,并引起拱頂的持續沉降,因此在側洞施工中嚴格控制施工導線和施工工序,盡量減少對中洞結構和中洞拱頂土層的擾動。

模擬結果與現場實測結果相差不大,且變化趨勢大致相同,空間有限元能夠較好的模擬大斷面洞室的施工過程。

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