不同施工方法下小凈距隧道施工數(shù)值模擬及影響分析

畢可為，皮圣，胡國平

(1.沈陽鐵道勘察設(shè)計院有限公司，遼寧沈陽110013;2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙410075; 3.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013)

不同施工方法下小凈距隧道施工數(shù)值模擬及影響分析

畢可為1，皮圣2，胡國平3

(1.沈陽鐵道勘察設(shè)計院有限公司，遼寧沈陽110013;2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙410075; 3.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013)

在建的沈陽地鐵十號線塔灣街站—淮河街站區(qū)間折返線暗挖段與單線盾構(gòu)區(qū)間凈距僅5.45 m，暗挖大斷面結(jié)構(gòu)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，二者為小凈距隧道。為研究小凈距隧道施工之間的相互影響，本文針對先開挖折返線暗挖段與先施工單線盾構(gòu)區(qū)間兩種工況，選取了一典型斷面作為計算模型，運用FLAC2D數(shù)值軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬，對比兩種施工順序下結(jié)構(gòu)受力、管線及盾構(gòu)管片位移變化。結(jié)果表明，先行開挖暗挖段再施工單線盾構(gòu)區(qū)間可最大限度減少二者之間的不利影響，保證地鐵區(qū)間施工安全。

小凈距隧道 雙側(cè)壁 盾構(gòu)管片 施工順序 力學(xué)特性

隨著我國城市軌道交通的大量修建，受周邊道路環(huán)境、地鐵使用功能要求等各種因素的影響，小凈距隧道已經(jīng)越來越多地應(yīng)用在我國地鐵建設(shè)中［1-3］，然而小凈距隧道中間巖柱體厚度小，兩隧道存在相互影響，圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，合理地確定小凈距隧道的施工方法、支護(hù)參數(shù)以及施工順序等已經(jīng)成為隧道施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。現(xiàn)有研究大多針對于同種施工方法下的小凈距隧道，研究表明后掘隧道對既有結(jié)構(gòu)影響較大［4-7］，而對不同施工方法下小凈距隧道的研究相對較少。本文以沈陽地鐵十號線塔灣街站—淮河街站區(qū)間為背景，研究折返線暗挖段與單線盾構(gòu)區(qū)間之間的相互影響。

1 工程概況

沈陽地鐵十號線塔灣街站—淮河街站區(qū)間折返線暗挖段起訖里程DK6+035.983—DK6+326.166，長290.183 m，右側(cè)為凈距僅5.45 m的單線盾構(gòu)區(qū)間。區(qū)間沿崇山西路敷設(shè)，向東下穿塔灣街、汾河西路、寧山西路后至淮河街站止。其中崇山西路為沈陽市主干道路且地下管線密集，影響范圍內(nèi)主要管線有管道1 (2.4 m×2.2 m混凝土排水涵)、管道2(DN630中壓煤氣管)、管道3(1.7 m×1.5 m混凝土排水涵)，管線走向與區(qū)間掘進(jìn)方向基本一致。折返線暗挖段采用六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，超前支護(hù)采用拱頂120°范圍雙排小導(dǎo)管超前注漿并加固地層，第1排小導(dǎo)管長1.8 m，環(huán)向間距30 cm，傾角15°，第2排小導(dǎo)管長3.0 m，環(huán)向間距30 cm，傾角20°;初支采用φ6.5@ 15 cm×15 cm鋼筋網(wǎng)、縱距0.5 m的φ25 mm格柵鋼拱架及35 cm厚C25噴射混凝土(臨時支護(hù)厚30 cm)，二襯為65 cm厚C40，P10防水混凝土。單線盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)采用30 cm厚預(yù)制拼裝管片。折返線暗挖段及單線盾構(gòu)區(qū)間穿越地層為中粗砂、礫砂層。

本文選取一典型斷面，對兩種不同施工順序下其結(jié)構(gòu)受力、結(jié)構(gòu)位移、管線沉降等力學(xué)特性進(jìn)行分析，以確定其合理的開挖順序。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

采用FLAC2D數(shù)值分析軟件進(jìn)行模擬，折返線暗挖段洞跨14.10 m，洞高10.71 m，隧道埋深為9.43 m，單線盾構(gòu)區(qū)間距折返線暗挖段水平凈距5.4 m;管道1、管道2、管道3垂直距離折返線暗挖段拱頂依次為3.63，7.68，5.43 m。為消除應(yīng)力邊界影響，取模型尺寸為120 m×60 m，上邊界取為自由面，左右邊界約束X方向位移，下邊界約束Y方向的位移。數(shù)值模型如圖1所示。

2.2 參數(shù)取值

圍巖計算參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場地勘參數(shù)及規(guī)范參考范圍綜合確定［8］，自上往下巖性分別為雜填土(0～2 m)、中粗砂(2～6 m)、礫砂(6～32 m)、泥礫(32～60 m)。圍巖判定準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，管線采用結(jié)構(gòu)單元beam模擬，暗挖段初支及盾構(gòu)管片采用結(jié)構(gòu)單元liner模擬，鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土，拱頂120°范圍的超前雙排小導(dǎo)管采用適當(dāng)提高圍巖參數(shù)進(jìn)行模擬。圍巖的力學(xué)參數(shù)見表1。結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

圖1 數(shù)值計算模型(單位:m)

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 施工過程模擬

為了分析兩隧道之間的相互影響，對兩種工況進(jìn)行了模擬計算。具體步驟如下:

工況1:先開挖折返線暗挖段再施工單線盾構(gòu)區(qū)間。

施工模擬步驟:①初始地應(yīng)力平衡;②三條管線的開挖與支護(hù)，完成后位移清零;③開挖折返線隧道左側(cè)上臺階并施作初支，開挖右側(cè)上臺階并施作初支，開挖左側(cè)下臺階并施作初支，開挖右側(cè)下臺階并施作初支，開挖中部上臺階并施作初支，開挖中部下臺階并施作初支;④施工單線盾構(gòu)區(qū)間。

工況2:先施工單線盾構(gòu)區(qū)間再開挖折返線暗挖段。

工況2的施工模擬步驟同工況1。

本文主要分析施工階段暗挖段與單線盾構(gòu)區(qū)間的相互影響，故計算中未考慮大斷面二次襯砌的影響。對于折返線暗挖段第一階段模擬隧道開挖無支護(hù)下應(yīng)力釋放40%，第二階段模擬隧道施作初期支護(hù)結(jié)構(gòu)后應(yīng)力釋放60%;對于單線盾構(gòu)區(qū)間第一階段模擬隧道開挖無支護(hù)下應(yīng)力釋放30%，第二階段模擬管片拼裝后應(yīng)力釋放70%［9］。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 結(jié)構(gòu)受力

從計算結(jié)果可知，兩種工況下折返線暗挖段初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力相差不大。工況1、工況2初支最大軸力值均位于右邊墻，其值分別為1 045.0，1 002.0 kN。工況1、工況2彎矩最大值均位于左拱腰處，其值分別為208.5，210.8 kN·m。

圖2列出了兩種工況下盾構(gòu)管片的內(nèi)力圖。從圖中可知，工況1軸力分布較為均勻，最大值位于左邊墻，其值為662.5 kN;工況2最大軸力值亦位于左邊墻，其值為922.4 kN，與工況1相比增加了39.2%。同時，工況1盾構(gòu)管片左、右邊墻，拱頂，仰拱的彎矩值均較大，最大值位于右邊墻，其值為74.6 kN·m;工況2與工況1相比，彎矩值增幅顯著，最大值位于拱頂處，其值為194.1 kN·m，與工況1相比增加了160.2%。兩種工況對比分析可知，采用工況1能將結(jié)構(gòu)受力相互影響降至最低。

圖2 兩種工況下盾構(gòu)管片的內(nèi)力

表3列出了兩種工況下3條重要管道的受力情況。從表中可知，施工前后相比管道結(jié)構(gòu)受力顯著增大。工況1時管線1的最大軸力為126.5 kN，與未開挖前相比增加了57.3%;最大彎矩值由最初的19.5 kN·m增大至40.0 kN·m。施工時應(yīng)采用適當(dāng)?shù)募庸檀胧┍ＷC結(jié)構(gòu)受力安全。兩種工況下管道的最大軸力值及最大彎矩值無明顯差別，兩種施工順序?qū)艿赖淖罱K受力無明顯影響。

3.2 塑性區(qū)分布

隧道開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)完成后隧道周邊圍巖塑性區(qū)分布如圖3。從圖中可看出，折返線暗挖段隧道周邊圍巖塑性區(qū)沿隧道輪廓呈“×”形分布，在拱肩和拱腳處形成較大的塑性區(qū)，臨近單線盾構(gòu)區(qū)間塑性區(qū)尤為嚴(yán)重，塑性區(qū)范圍沿隧道輪廓徑向延伸5 m左右，而隧道拱頂、仰拱、邊墻中部圍巖塑性區(qū)徑向范圍為1.5～3.0 m。兩種工況下折返線暗挖段圍巖塑性區(qū)分布基本一致，僅工況2盾構(gòu)隧道周邊圍巖塑性區(qū)有所擴(kuò)大。可見，采用工況1方案可減少對單線盾構(gòu)區(qū)間隧道圍巖的擾動。

表3 管道受力情況

圖3 圍巖塑性區(qū)分布

3.3 位移

3.3.1 管線豎向位移

表4列出了兩種工況下3條重要管道的豎向位移。從表中可見，兩種工況下3條重要管道的沉降量基本無太大差別，沉降量均在合理的范圍之內(nèi)，施工時應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測。

表4 管道豎向位移mm

3.3.2 盾構(gòu)管片水平位移

工況2情況下隨著折返線暗挖段的開挖，盾構(gòu)管片水平位移變化較大，特別是臨時支撐拆除時管片位移發(fā)生急劇變化。對于盾構(gòu)管片，水平位移的變化極易引起盾構(gòu)管片較大的縱向錯臺，導(dǎo)致管片間的連接螺栓受力急劇增大。而工況1(先行開挖折返線暗挖段再施工單線盾構(gòu)區(qū)間)可避免此類不利影響。故采用工況1方案更加合理。

4 結(jié)論

本文以在建沈陽地鐵十號線塔灣街站—淮河街站區(qū)間為例，采用FLAC2D軟件對兩種不同施工順序下折返線暗挖段與單線盾構(gòu)隧道之間的相互影響進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)計算結(jié)果對圍巖塑性區(qū)分布、管線位移及盾構(gòu)管片內(nèi)力、位移等力學(xué)特性進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論:

1)小凈距隧道之間的施工先后順序?qū)Y(jié)構(gòu)受力影響大，特別是對盾構(gòu)管片的影響，設(shè)計中應(yīng)予以充分考慮。

2)先開挖折返線暗挖段再施工單線盾構(gòu)區(qū)間可有效降低小凈距隧道之間的相互影響，保證地鐵區(qū)間施工安全。

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(責(zé)任審編葛全紅)

U455

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.13

1003-1995(2015)12-0047-03

2015-04-10;

2015-10-25

畢可為(1985—)，男，工程師，碩士。