側導洞寬度對地鐵大斷面隧道施工的影響分析

畢振帥　余海英　趙鵬沖　路　偉

(1.解放軍理工大學，江蘇 南京　210007；　2.中國人民解放軍73071部隊，江蘇 徐州　221400)

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側導洞寬度對地鐵大斷面隧道施工的影響分析

畢振帥1余海英1趙鵬沖1路偉2

(1.解放軍理工大學，江蘇 南京210007；2.中國人民解放軍73071部隊，江蘇 徐州221400)

以南京軌道交通地下工程為依托，采用有限元軟件，對大跨淺埋隧道的施工過程開展數值模擬研究，分析了側導洞寬度對大斷面隧道施工安全系數的影響，得出了一些有意義的結論。

大斷面隧道，側導洞寬度，安全系數，強度折減法

隨著城鎮化的推進，人口從農村流向城市，城市人流量增大，而城市能夠規劃的空間有限，城市空間變得擁堵。城市軌道交通由于其優于普通地面公共交通的快捷、舒適、環保等特點[1-3]，隨著中國城市的發展，軌道交通的建設越來越常見。城市軌道交通主要包括地鐵、輕軌、磁懸浮等多種類型[4,5]。地鐵作為城市軌道交通系統的重要組成部分，截至2015年4月底，國內累計已有19個城市建成地鐵87條線路。由于地鐵折返線、地鐵車站等的需要，大斷面隧道的建設將不可避免[6]。王明年，關寶樹等[7]采用模型試驗和有限元方法對三車道公路隧道在不同構造應力作用下的力學行為進行了深入研究?；粜l華[8]針對軟弱圍巖大跨隧道，采用有限元方法對施工過程中圍巖和支護結構體的受力狀態進行了模擬計算，分析了雙側壁導坑法對各部開挖施工的影響。王應富等[9]針對四車道大跨高速公路隧道，有限元模擬了雙側壁導坑法整個施工過程，分析了圍巖位移、初期支護和錨桿受力的動態變化，得出起始導洞和拱部開挖對隧道圍巖的穩定起著更為重要的作用。本文以南京市軌道交通4號線一期工程花園路站—紫金山北站區間大斷面隧道工程為背景，采用有限元數值計算方法模擬分析雙側壁導坑法導洞寬度對安全系數的影響，為以后類似工程提供參考與借鑒。

1　強度折減法原理

強度折減法就是將圍巖物理力學性質參數中的黏聚力c和內摩擦角φ兩個參數同時除以一個數值ω，對材料的強度進行折減，會有一個折減系數恰好能保證計算收斂，該值就是圍巖的安全系數。

(1)

(2)

常用的M-C準則在主應力空間中的屈服面為六錐面，不利于數值計算，在大多數的數值分析中均使用德魯克—普拉格(Dracker-Prager)準則，簡稱D-P準則，即:

(3)

在有限元強度折減計算分析中，安全系數定義如下：

(4)

其中,ω1為強度折減系數。

2　側導洞寬度對安全系數的影響分析

開挖右導洞上部，等效塑性應變圖見圖1。

圖1　右上導洞開挖不同寬度導洞下塑性應變圖

右上導洞開挖后，導洞寬度對最后塑性區范圍、形態影響不大。在右上導洞下部左右邊角處有較大的塑性應變值，在導洞上部尖角處，有較大塑性應變值，潛在破壞區域朝開挖臨空面呈三角形狀，且隨著導洞跨度變大，安全系數數值變小。不同開挖跨度開挖塑性應變最大值差別較小，先是減小而后又增大。

開挖左導洞上部，等效塑性應變圖見圖2。

圖2　左上導洞開挖不同寬度導洞下塑性應變圖

第二個導洞開挖后(左上)，采用四種不同跨度導洞開挖后的圍巖潛在破壞區域位于中間未開挖部分，破壞形狀呈X型，破壞區域上下邊界高度隨著側導洞開挖跨度增加而變小。導洞X型破壞區域上邊界位于開挖導洞上邊角，隨著導洞跨度的增加，破壞區域上邊界下移。此外，在開挖導洞兩側邊角處形成較大的塑性區，且隨著導洞跨度的增加，塑性區由小變大，破壞面傾角與水平面夾角隨著側導洞開挖跨度的增加而變大，兩條交叉的潛在破壞面變得規則。針對模擬得到的潛在破壞情況，在施工過程中采取相應的加固安全措施。在開挖邊角處要設置鎖腳錨桿。針對較破碎圍巖，中部圍巖可用錨桿進行加固。開挖右下部，等效塑性應變圖見圖3。

圖3　右下導洞開挖不同寬度導洞下塑性應變圖

開挖第三部分后的潛在破壞面如圖3所示。潛在破壞面呈交叉不對稱X型，且隨著導洞跨度的增加，X交點位置高度降低。中間潛在破壞面左側的下角點位置保持在左導洞右下邊角處，位置高度不發生變化；左側的上角點在開挖跨度較小時位于左側上部的頂角處，隨著側導洞開挖跨度的增加，其位置高度降低，最終和左側下角點重合；右側的上下兩個角點在側導洞寬度較小時，分別位于右導洞的上頂角、下底角處，隨著側導洞開挖跨度的增加，位置高度逐漸向中間移動，因此潛在破壞面的高度會隨著側導洞開挖跨度的增加而變小，亦即破壞區變小。此外，左導洞左側有斜向上的塑性區，塑性區范圍大小隨著側導洞開挖跨度的增加先變大，然后變小，且塑性面有變得更加垂直的趨勢。

3　結語

采用數值模擬對南京市軌道交通4號線一期工程花園路站—紫金山北站區間大斷面隧道工程側導洞寬度對安全系數的影響進行了分析，得出了以下結論：1)隨著開挖的進行，隧道的安全系數逐漸降低。導洞寬度對安全系數的影響較大，導洞開挖順序方案1中第二步開挖后(左右兩側上部導洞)，安全系數相差最大為17.29%。導洞寬度對潛在破壞面影響較大，導洞開挖順序方案1中第二步～第四步開挖后的潛在破壞面差別較大。2)采用不同寬度導洞開挖時，初期支護的最大彎矩值具有相同的變化趨勢。前三步開挖后變化不大，第四步(左下導洞)開挖后減小較大，第五步(中上導洞)開挖后又有較大的增加，第六步(中下導洞)開挖后再次減小。第四步(左下導洞)開挖后，初期支護最大彎矩值在不同寬度導洞開挖下相差很小，以此開挖步為邊界，兩側有不同的趨勢。前三步開挖后，側導洞寬度越大，最大彎矩值越大，第五、六步(中上導洞、中下導洞)開挖后，側導洞寬度越大，最大彎矩值越小。整個施工過程中的支護結構最大彎矩值，在側導洞寬度占總導洞寬度30%時最小，側導洞寬度占總導洞寬度40%時最大，最大值比最小值大20.93%。

[1]吳銘芳，章慧健，仇文革.大斷面隧道深淺埋劃分方法研究[J].現代隧道技術，2010,47(4):1-5.

[2]王明年，郭軍，羅祿森，等.高速鐵路大斷面黃土隧道深淺埋分界深度研究[J].巖土力學，2010,31(4):1157-1162.

[3]郭小龍，譚忠盛.大斷面黃土隧道深淺埋分界深度研究[J].土木工程學報，2015，48(S1):393-397.

[4]張佩，路德春，杜修力，等.深埋隧道與淺埋隧道劃分方法研究[J].巖土工程學報，2013，35(S2):422-427.

[5]程小虎.土質隧道深淺埋分界的理論解析[J].地下空間與工程學報，2012,8(1):37-42.

[6]李奎，李斌，高波.深埋與淺埋隧道分界理論分析方法的研究[J].鐵道建筑，2013(12):27-31.

[7]王明年，關寶樹.三車道公路隧道在不同構造應力作用下的力學行為研究[J].巖土工程學報，1998，20(1):51-55.

[8]霍衛華.軟巖大跨隧道施工力學研究[J].河北理工學院學報，2004,26(4):96-100.

[9]王應富，蔣樹屏，張永興.四車道隧道動態施工力學研究[J].公路交通科技，2005(6):134-137.

Analysis on the impact of lateral leading-hole width upon large subway cross-section tunnel construction

Bi Zhenshuai1Yu Haiying1Zhao Pengchong1Lu Wei2

(1.PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China;2.PLA73071Team,Xuzhou221400,China)

Taking Nanjing rail transit underground engineering as the background, the paper launches numerical simulation research for large-span shallow tunnel construction process by applying finite element software, analyzes the impact of lateral leading-hole width upon large cross-section tunnel construction safety coefficient, and finally obtains some meaningful conclusions.

large cross-section tunnel, lateral leading-hole width, safety coefficient, strength-reduction method

1009-6825(2016)21-0163-02

2016-05-11

畢振帥(1979- )，男，在讀碩士

U459.2

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