數值模擬計算在淺埋暗挖通道設計中的應用

楊克軍

（溫州設計集團有限公司，浙江 溫州 325000）

0 引言

近年來隨著城市軌道交通的建設，采用淺埋暗挖法施工的通道日益增多。國內外目前普遍采用的通道結構設計模型可歸納為四類：以工程類比為依據的經驗法；以測試為依據的實用法；作用-反作用模型稱為結構力學法；連續介質模型稱為連續介質力學法[1]。而隨著有限元軟件的日益普及，數值模擬計算在通道結構計算中的應用也日益成熟。

1 通道設計概況

某軟土地區地下通道橫穿城市道路，道路寬度為30 m，通道呈一字形布置，通道開挖寬度7.6 m，通道頂覆土厚度為4.0 m。通道采用復合式襯砌，初期支護采用C20網噴混凝土+格柵鋼架+連接筋聯合支護，二次襯砌采用C30、S8現澆鋼筋混凝土。通道施工采用108大管棚超前支護、TSS輔助二重管無收縮漿全斷面預加固；分上下兩層共六塊，進行開挖支護并設臨時仰拱和支撐，確保開挖安全；開挖臺階長度控制在3～5 m，二襯每次施工長度控制在6～9 m。

2 開挖方式數值模擬計算

2.1 有限元模型

采用ABAQUS通用計算軟件，土體采用DP模型，支撐、初襯、二襯采用彈性模型，建立有限元模型。

（1）支撐采用梁單元模擬，初襯、二襯采用殼單元模擬，土體采用8節點實體單元模擬。

（2）TSS注漿管對周邊土體的加固采用等效材料法近似處理。

（3）超前支護管棚作用提高管棚作用范圍內的圍巖材料參數來近似模擬。

（4）地面車輛、人流及施工荷載按照20 kN/m2來考慮。

（5）開挖面通過施加荷載來平衡。

根據經驗，計算范圍將開挖的影響區域包括進去，取開挖洞室的3～5倍洞徑建立模型。具體如圖1～圖3所示。

圖1 有限元網格模型

圖2 斷面尺寸（單位：cm）

圖3 外圍TSS注漿加固

計算模型縱向取100 m，橫向按照最長通道31 m來考慮，深度為50 m。根據上述模擬，按照實際施工過程進行模擬計算，以下分別按照三種開挖方式計算并分析地表沉降。

2.2 通道開挖數值模擬分析

通道開挖方式按照圖4的施工順序進行模擬計算，即先開挖兩側，后開挖中間土體，如圖4所示。

圖4 分布開挖順序

計算結果如圖5～圖11所示。

圖5 開挖第一步豎向變形云圖

圖6 開挖第二步豎向變形云圖

圖7 開挖第三步豎向變形云圖

圖8 開挖第四步豎向變形云圖

圖9 開挖第五步豎向變形云圖

圖10 開挖第六步豎向變形云圖

圖11 地表沉降曲線

從圖中可以看出，第一、二步下，先開挖左側，左側地面沉降明顯大于右側，第三、四步下右側沉降增大，兩側基本對稱；每個開挖步下沉降都在增大，地面最大沉降最終為40 m m。第四步下地面沉降基本達到最大，第五、六步下沉降基本不再增大。前面三步開挖卸載引起的地面差異沉降值明顯大于后面兩步的。

2.3 計算結論

（1）考慮注漿加固效果，開挖引起的地表最大沉降為4.2 cm。

（2）距開挖面10 m以下的土層基本穩定。

（3）分步開挖引起的地表沉降變形為一遞增過程，每步開挖必須嚴格控制施工工藝，尤其是第一至第三步開挖。

3 拆撐穩定性數值模擬分析

通道開挖完成后，將進行二次襯砌澆筑，此時需將臨時支撐逐步拆除。臨時支撐的拆除打破了原有地層、結構體系的平衡，造成應力的重分布。對拆撐過程進行模擬分析計算的目的在于了解這一過程初支結構內力的變化，驗證拆撐順序的合理性，在保證初支結構穩定的前提下，為二次襯砌的施作創造條件。

按照上述模型進行拆撐計算分析，支撐及初襯網格如圖12所示，當通道開挖完成初襯支護做好后，通道周圍土體出現塑性區位置如圖13所示，可見在對通道周圍土體加固時應重點放在這些部位。

圖12 支撐網格圖

圖13 開挖后塑性區云圖

3.1 拆撐過程內力分析

首先取一品鋼架和支撐進行二維分析，先拆除下導支撐，后拆除上部支撐，圍巖壓力按照等效荷載來考慮，如圖14～圖19所示。

圖14 未拆撐前N

圖15 未拆撐前M

圖16 拆除下導支撐時N

圖17 拆除下導支撐時M

圖18 拆除全部支撐時N

圖19 拆除全部支撐時M

從圖中可以看出，在拆撐過程中，初襯軸力在增大，下部拱軸力減小；上部拱及上部拐角處彎矩在增大，所以設計時應考慮拆撐給結構造成的不利影響。

3.2 拆撐過程三維分析

主要用于模擬施工過程拆撐縱向對通道結構的影響，該次計算分析三種方案，一次拆撐長度分別為6 m、10 m、16 m。建立的模型如圖12所示，計算結果如圖20～圖31所示。

圖20 拆除6 m范圍內下導支撐截面軸力云圖

圖21 拆除6 m范圍內下導支撐截面彎矩云圖

圖22 拆除6 m范圍內全部支撐截面軸力云圖

圖23 拆除6 m范圍內全部支撐截面彎矩云圖

圖24 拆除10m范圍內下導支撐截面軸力云圖

圖25 拆除10 m范圍內下導支撐截面彎矩云圖

圖26 拆除10 m范圍內全部支撐截面軸力云圖

圖27 拆除10 m范圍內全部支撐截面彎矩云圖

圖28 拆除16 m范圍內下導支撐截面軸力云圖

圖29 拆除16 m范圍內下導支撐截面彎矩云圖

圖30 拆除16 m范圍內全部支撐截面軸力云圖

圖31 拆除16 m范圍內全部支撐截面彎矩云圖

3.3 計算結論

（1）拆除下導支撐對結構體系的影響最大，拱頂彎矩增大120%，拆除時慎重考慮相應的保護性措施，確保施作安全。

（2）拆除完畢后，結構初支最大彎矩出現在拱部與邊墻連接處，在結構配筋時應考慮這一因素。

（3）拆撐長度為16m時，拱部中間位置最大應力增大35%，使初支應力達到1.3 M Pa。

（4）拆撐時引起結構變形值，6 m為5.5 m m，9 m為8.5 m m，12 m 為11.6 m m。

綜上所述，拆撐長度可定為6～9m，同時在拆撐過程中應采取提前主動換撐、加強通道結構變形與應力的監測。

4 結語

通過上述案例分析，并通過項目實踐檢驗，連續介質力學法即數值模擬計算完全能模擬常規地質條件下暗挖通道施工過程中的不同施工方式、工序帶來的襯砌受力變化情況、路面沉降變化及相關建筑物、構筑物受影響狀況。根據其模擬結果進行分析計算，能更加精確地進行設計和對施工過程事故進行防范。