基于FLAC3D拱蓋法施工中拱腳圍巖強度對沉降影響研究

劉創

（中南林業科技大學土木工程學院，湖南 長沙 410000）

1 緒論

以青島某地鐵站中的拱蓋法施工為背景。在拱蓋法施工中，拱蓋是結構穩定性的關鍵所在，起著支撐上部覆土和保護下部結構等重要作用[1-2]。拱蓋所承受的力需轉移至拱腳處圍巖上，過于軟弱的圍巖無法承受拱蓋上的力，故拱蓋一般常建立于較穩固的圍巖上，以保證拱蓋穩定性。因此，拱腳處圍巖的強度對拱蓋穩定性有很大影響。

2 模型建立

模型圍巖采用摩爾-庫倫模型，其參數如表1所示。工程材料采用彈性模型，其參數如表2所示。

表1 圍巖物理力學參數

表2 支護物理力學參數

車站埋深為10 m，主體結構總高16.61 m，取底部圍巖為6 m厚度。根據巖石力學的觀點，在地下洞室開挖時會引起應力進行重分布，而其影響范圍為3～6倍的洞徑，處在該范圍以外的巖體不受開挖影響[3-4]。車站總寬為22.6 m，故取一側圍巖寬為23 m。每階段將施工分為3段來模擬整個開挖過程，模型總長為6 m。車站模型及材料分組如圖1所示。

圖1 FLAC3D車站模型圖

3 模型計算及數據分析

3.1 模型施工過程計算

拱蓋法的主要施工工序是：施做超前支護→臺階法開挖上斷面左右側導洞巖體→架立臨時鋼拱架→臺階法開挖上斷面中部巖體→架立臨時鋼拱架，施做兩側洞內拱腳縱梁→按一定順序開挖下斷面巖體，施做初期支護→順作法施做主體結構。首先固定邊界，將各個外側面相應位移限制住，再給地層賦參，運算得地層初始位移，將這一部分位移歸零，排除自然沉降引起的誤差。正式施工，先將相應區域的地層參數提高，借此來模擬超前支護，然后臺階法開挖左右導洞，開挖2 m，再運行150步模擬開挖沉降過程，施做初襯及鋼拱架，如此開挖3次，得左右導洞開挖完成沉降結果。采用相似的方法來模擬中導洞開挖，得其沉降結果。將鋼支撐處改為空模型，同時將縱梁處改為彈性模型，模擬拆除鋼支撐，得施做縱梁完成時沉降結果。臺階法開挖下部區域，施做初襯、二襯，運算得車站施工結束時沉降結果。

3.2 數據分析

不同圍巖上各施工完成階段的沉降曲線對比如圖2所示。可以看出在左右導洞和中導洞時開挖時的沉降基本一致，同時在中導洞階段，沉降差值均在1 mm以內，但開始對地表沉降產生影響。在縱梁施做階段，初襯的拱蓋作用已經在Ⅱ級圍巖上表現出來，沉降變化不大。各級圍巖之間沉降最大值的差值變大。車站開挖完成時，沉降與前一施工階段差別不大。所以，可以認為當縱梁施做完成時，拱蓋結構成型，能夠發揮支撐作用，此時在拱蓋以下的施工作業對沉降影響不大，沉降已受到控制。

圖2 不同圍巖上各施工階段完成時沉降曲線對比圖

4 結論

在左右導洞開挖中，不同強度的圍巖基本不影響地表沉降；中導洞開挖是沉降變化最大的一步工序，于這步工序要做好沉降控制，其中施做在Ⅱ級圍巖上的初襯在這一步工序便可發揮拱蓋作用，控制沉降；Ⅲ、Ⅳ級圍巖在拱蓋結構完全成型，才能控制沉降。

當拱腳處兩側圍巖分級發生變化時，隨圍巖強度的降低，沉降變大，距車站結構相同距離上的沉降，低強度圍巖的沉降值更大。在強度相近的圍巖之間，沉降最大值的差值會隨圍巖強度的降低而逐漸變大。