文章摘要：......
大断面浅埋暗挖隧道施工过程数值模拟
摘 要:结合广州地铁五、六号线区庄换乘地铁车站大跨隧道的施工,通过数值模拟,对拟定的中导洞法和侧导洞法两种施工方案的动态施工力学过程进行模拟分析,通过计算结果的比较,为隧道的设计和施工方案的确定提供参考。
关键词:大跨隧道,浅埋暗挖法,数值模拟
1 工程概况
广州地铁五、六号线区庄换乘站位于农林下路和环市路的交汇处,五号线主体位于环市东路下方,线路方向沿环市路方向;六号线主体隧道位于农林下路下方。主体隧道断面分为A,B,C三种断面,其中南站厅段为A型断面,为文中重点研究的断面。A型断面为三联拱,二柱二层三跨,长度为62m,断面总宽度为24.208m,总高度为16.932m,拱顶覆土厚度为14.7m~16.8m,断面面积为410m2。
车站隧道围岩分级为Ⅱ级,Ⅲ级围岩,主要穿越残积土、全风化带、强风化带,围岩条件较差,遇水易软化。该大跨度隧道所处地段位于闹市区繁华地段,地面交通繁忙,高楼林立,地下管线较多,因此对于地层的沉降必须严格控制。
2 施工方案研究
目前,浅埋暗挖隧道施工方法主要有中导洞法、侧导洞法及洞桩法,根据区庄站的实际情况,提出的可行施工方案有中导洞法及侧导洞法,两种开挖方法及开挖步骤见图1。
考虑到隧道跨度大、埋深浅,且地面环境复杂,故采用大管棚和格栅钢架作超前支护。大管棚用Φ108mm热轧无缝钢管,每节长度为8m,环向间距300mm,纵向间距5m。小导管用Φ32mm,
长4m钢管,环向间距30mm,纵向间距2.5m。格栅钢架纵向间距0.5m。格栅钢架与初喷混凝土间铺设双层Ф8×Ф8@200mm×200mm钢筋网。
3 数值模拟分析
3.1 计算模型的建立
为降低边界对计算结果的影响程度,模型左右两侧大于车站断面跨度的3倍,模型底部也大于车站断面高度的3倍,计算范围如图2所示。其中,地表取至地面,高程为32.6m,计算模型下部高程为-80.0m,模型左右长度为100m。采用位移边界条件,固定模型左右两边界的横向位移,底边界的竖向位移。车站地表是马路。计算模型总节点数为63336个,总单元数为58200个。初始地应力场只考虑岩体自重产生的自重应力。管棚加固区采用提高所在土体强度的实体单元模拟,初期支护采用壳单元模拟,二次衬砌采用实体单元模拟。土体本构关系采用Mohr-Couloms弹塑性模型,初期支护、二次支护采用线弹性模型。
3.2 计算参数的确定
隧道所处地层由人工填土层①,粉细砂层③-1,冲积~洪积土层④-1,河湖相淤泥质土层④-2,坡积土层④-3,可塑或稍密~中密状残积土层⑤-1,硬塑或密实状残积土层⑤-2,岩石全风化带⑥,红层强风化带⑦,红层中风化带⑧,红层微风化岩⑨组成。实际计算中所取的力学参数见表1。
钢拱架等作用采用等效法予以考虑,即将钢拱架弹性模量折算给喷混凝土计算,计算方法如式(1):
其中,E为折算后混凝土弹模;E0为原混凝土弹模;Sg为钢拱架截面积;Eg为钢材弹模;Sc为混凝土截面积。
3.3 计算结果分析
3.3.1 地面横向沉降特征
两种施工方案的地表沉降曲线如图3,图4所示。
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