地鐵隧道臺(tái)階法施工的模擬與分析

摘 要：地鐵已成為最具前景的城市交通運(yùn)輸方式之一。依據(jù)沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線某段工程實(shí)例，采用拉格朗日有限差分程序FLAC3D對(duì)預(yù)留核心土臺(tái)階法施工進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了地鐵隧道豎向位移云圖、豎向應(yīng)力云圖和剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D等。數(shù)值模擬結(jié)果表明：臺(tái)階法施工第一階段，拱頂下沉約為1cm左右，拱底底鼓約為11.0cm左右，第二階段，隨著核心土被挖掉，拱底底鼓情況更為嚴(yán)重，并且在地鐵隧道兩幫處發(fā)生應(yīng)力集中和剪切帶，地鐵隧道最容易發(fā)生破壞，這為地鐵隧道施工提供了建議。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道 臺(tái)階法施工 數(shù)值模擬 剪切應(yīng)變

中圖分類號(hào)：TU443 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）04（b）-0054-02

地鐵隧道已成為特大型城市、省會(huì)城市和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海城市的主要交通運(yùn)輸手段。地鐵規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工需要消耗大量資源，而且由于各地區(qū)的工程地質(zhì)水文差別巨大、周圍環(huán)境也各不相同，施工時(shí)容易發(fā)生周圍巖體變形過大、甚至發(fā)生塌方破壞的危險(xiǎn)，因此對(duì)地鐵隧道施工過程中產(chǎn)生的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和剪切應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行深入分析，研究其變化規(guī)律成為重要的工程問題[1-3]。

文獻(xiàn)[4]對(duì)軟弱圍巖隧道臺(tái)階法施工進(jìn)行了分析，并對(duì)不同臺(tái)階高度選擇值進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同臺(tái)階高度選擇值對(duì)拱頂位移和掌子面擠出變形的影響，得到了一些有益的結(jié)論。文獻(xiàn)[5]針對(duì)Ⅳ級(jí)以上圍巖軟弱破碎，巖土體強(qiáng)度低等特點(diǎn)，對(duì)某隧道CRD法與上下臺(tái)階法開挖進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了隧道開挖過程中圍巖的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)發(fā)展情況。

1 工程實(shí)例

本區(qū)間起于張士站東端，沿開發(fā)大路向東前行，在遼寧金帝建設(shè)集團(tuán)股份有限公司第二建筑工程公司材料供應(yīng)處前，線路略向右偏，后折向北，穿越沈陽(yáng)市西部石材市場(chǎng)進(jìn)入太湖街，沿太湖街至沈新路站。隧道采用暗挖法施工，馬蹄形斷面，復(fù)合襯砌。線路呈“∨”坡，隧道結(jié)構(gòu)底最大埋深19.634 m（覆土厚度13.184 m），最小埋深13.524 m（覆土厚7.074 m），平均埋深16.580 m（覆土厚度10.130 m）。

2 臺(tái)階法施工模擬

2.1 建立模型

本次數(shù)值模擬采用沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線工程某段作為數(shù)值計(jì)算的原型，按照三維模型建立地鐵隧道有限元模型，本次地鐵隧道模型的總高度為40m，地鐵隧道橫向?qū)挾热?0m，前后方向取20m，這主要考慮到較小的尺寸會(huì)產(chǎn)生明顯的邊界影響；數(shù)值模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為13241個(gè)，總單元個(gè)數(shù)為10800個(gè)。

2.2 本構(gòu)模型及參數(shù)選取

本次數(shù)值分析采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，這是由于摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型可以較好地模擬巖土材料的摩擦特性。摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型是一種彈-塑性本構(gòu)模型，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到屈服點(diǎn)之前，力與變形保持線性關(guān)系，卸載后無殘留變形；屈服之后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線不再保持一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1所示。

2.3 邊界條件及開挖過程

本次數(shù)值模型的邊界條件如下：左右采用約束x方向位移，前后采用約束y方向位移，上頂面為自由表面、無約束，底部采用約束z方向位移，稱之為箱型邊界條件；開挖過程如下：首先開挖上臺(tái)階并保留核心土，支護(hù)；然后開挖核心土；最后開挖下層臺(tái)階，并支護(hù)。

3 結(jié)果分析

3.1 豎向位移分析

不同開挖及支護(hù)階段，地鐵隧道豎向位移云圖如圖2所示。通過分析圖1（a）可以發(fā)現(xiàn)：在地鐵隧道臺(tái)階法開挖第一階段，拱頂下沉約為1cm左右，發(fā)生在拱頂正上方；拱底底鼓約為11.0cm左右，發(fā)生在預(yù)留核心土部分，在拱底中心底鼓最為嚴(yán)重；在地鐵隧道臺(tái)階法開挖第二階段，拱頂下沉沒有發(fā)生太明顯變化，但隨著核心土被挖掉，拱底底鼓情況更為嚴(yán)重，應(yīng)及時(shí)支護(hù)。在地鐵隧道臺(tái)階法開挖第三階段，地鐵隧道的拱頂、拱底的變形都逐漸趨于穩(wěn)定。綜上分析可以看出：在預(yù)留核心土臺(tái)階法施工的過程中，第一次開挖的過程中，拱頂、拱底發(fā)生的變形最大，地鐵隧道最容易發(fā)生破壞，施工時(shí)應(yīng)特別注意。

3.2 豎向應(yīng)力分析

不同開挖及支護(hù)階段，地鐵隧道豎向應(yīng)力云圖如圖2所示。通過分析圖2（a）可以發(fā)現(xiàn)：在地鐵隧道臺(tái)階法開挖第一階段，在地鐵隧道兩幫與隧道地面的交接處發(fā)生應(yīng)力集中，且集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重；核心土部分豎向應(yīng)力約為0kPa，這是由于核心土上部沒有約束；在地鐵隧道臺(tái)階法開挖第二階段，地鐵隧道兩幫與隧道地面的交接處應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解；在地鐵隧道臺(tái)階法開挖第三階段，地鐵隧道兩幫發(fā)生一定的應(yīng)力集中，但較前兩次開挖時(shí)的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減輕，也可以看出地鐵隧道拱頂受力狀態(tài)明顯比地鐵隧道拱底受力狀態(tài)有利。

3.3 剪切應(yīng)變?cè)隽糠治?/p>

不同開挖及支護(hù)階段，地鐵隧道剪切應(yīng)變?cè)茍D如圖3所示。通過分析圖3（a）可以發(fā)現(xiàn)：在地鐵隧道臺(tái)階法開挖第一階段，在地鐵隧道兩幫與隧道地面交接處的剪切應(yīng)變?cè)隽枯^大，并形成一個(gè)雙曲線形狀的剪切帶，說明在兩幫處容易發(fā)生剪切破壞。在地鐵隧道臺(tái)階法開挖第二階段，剪切帶有變大的趨勢(shì)，說明開挖對(duì)圍巖應(yīng)力狀態(tài)造成了不利影響；在地鐵隧道臺(tái)階法開挖第三階段，剪切帶擴(kuò)大并逐漸趨于穩(wěn)定，在地鐵隧道兩幫處形成雙曲線類型的剪切帶。

3.4 拱頂豎向位移分析

地鐵隧道拱頂位移隨時(shí)間變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可以看出：在臺(tái)階法施工的第一階段，拱頂豎向位移增長(zhǎng)最快，并增長(zhǎng)速度逐漸變小；數(shù)值模擬顯示24h后拱頂位移能達(dá)到總沉降的70%～80%，而后期沉降相對(duì)較小；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬大致相同，但監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示約5day后沉降才趨于穩(wěn)定，這與數(shù)值模擬存在一定的出入。

4 結(jié)論

該文基于拉格朗日有限差分程序FLAC3D對(duì)預(yù)留核心土臺(tái)階法施工進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了主要結(jié)論如下：

（1）通過對(duì)地鐵隧道豎向位移云圖分析可知：在預(yù)留核心土臺(tái)階法施工的過程中，第一次開挖的過程中，拱頂、拱底發(fā)生的變形最大，地鐵隧道最容易發(fā)生破壞，施工時(shí)應(yīng)特別注意。

（2）通過對(duì)地鐵隧道剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D分析可知：在地鐵隧道臺(tái)階法開挖施工過程中，將會(huì)在兩幫處產(chǎn)生一個(gè)雙曲線形狀的剪切帶，隨著開挖逐漸擴(kuò)大并最終趨于穩(wěn)定。

（3）拱頂位移表明：臺(tái)階法開挖施工開始時(shí)，拱頂位移增長(zhǎng)速度較大，隨時(shí)間增長(zhǎng)變形速率逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

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