地下通道施工中全断面法和CD法的比较

2010-04-17韩玲冲梁子轩

山西建筑 2010年30期

韩玲冲王健梁子轩

本文采用大型岩土软件Midas-gts,结合北京东直门某地下通道工程实际,针对经过技术、经济综合分析和比较得出的较为适合的地下通道施工备选方法全断面法和CD法,进行了三维仿真分析和比较,对在全断面法和CD法施工条件下引起的地层位移变化情况进行了探讨。

1 工程概况

拟建工程位于东直门外大街,主通道断面形式为拱顶直墙,长约64.5 m,高5.65 m,宽 6.4 m,顶板覆土4.57 m,底板埋深10.5 m,采用暗挖法施工。地下通道主通道的横断面见图1。

2 施工中存在的主要问题

由于在施工中必须严格控制地表沉降以保证道路及相关设施的正常使用及安全,因此在施工中如何保证地表沉降在3 cm以内成为一个亟待解决的问题,本文就这一问题进行了探讨。

3 数值模拟计算模型

1)数值模拟几何参数及本构关系。

根据隧道施工影响区域划分原则,宽度取36.4 m,长度取64 m,高度取17.39 m,土体本构关系采用摩尔—库仑模型。

2)数值模型的建立见图2,图3。

4 三维数值模拟结果及分析

4.1 施工数值模拟结果

全断面法施工模拟共分35个阶段,阶段1为初始应力场的模拟,按施工方法先加固隧道周边围岩,然后进行开挖。断面的开挖遵循“超前支护→隧道开挖→初期支护→二次衬砌”的步序进行,并按不利情况进行处理,即隧道开挖进尺设为2 m,实际情况为0.5 m。

CD法施工模拟共分41个阶段,阶段1为初始应力场模拟,按施工方法先加固隧道周边围岩,然后进行开挖。断面的开挖遵循“超前支护→左洞隧道开挖→初期支护→中间支撑→开挖右洞隧道→施作初支→拆除临时支撑→施作二衬”的步序进行,并按不利情况处理,即隧道开挖进尺设为2 m,实际情况为0.5 m。

1)竖向位移变化特征。隧道开挖引起周围土体应力重分布,在隧道拱顶以上土体产生向下的位移,全断面法施工下,地表最大沉降达到6.03 cm,超出了地表最大沉降为3 cm的限制。在CD法施工条件下,地表最大沉降为1.05 cm,符合地表沉降在3 cm以内的规定。2)横向水平位移变化特征。全断面法施工引起隧道左侧墙中部土体横断面最大水平位移为2.16 cm,方向为向右,右侧墙中部土体横断面最大水平位移为2.11 cm,方向水平向左。CD法施工引起隧道左侧墙中部土体横断面最大水平位移为1.31 cm,方向为向右,右侧墙中部土体横断面的最大水平位移为1.56 cm,方向为向左。

4.2 CD法施工实测资料

根据施工单位提供的现场实测资料可知:土体最大沉降为0.9 cm。

4.3 分析

1)全断面法施工与CD法施工相比,由于其开挖引起的临空面较大,开挖后支护完成需要的时间长,即施工中的空间效应和时间效应作用比较明显,全断面法施工对周围土体的扰动较大,因此引起较大的土体沉降值和水平位移值。在工程实践中,对地表土体沉降要求严格的情况下,二者相比,应优先选择CD法施工。2)CD法施工和全断面法施工引起隧道左右两侧土体的横断面水平位移值出现了不对称分布,这和土体本身的非线性和各向异性的特性有关。另外在地下通道施工过程中,侧墙中部和底板受到的弯矩较大,易导致侧墙挤出和地板隆起现象,因此在设计和施工过程中要注意在受力不利位置进行科学设计与施工,确保结构安全。3)由数值模拟计算结果及施工和设计经验综合分析得出,CD法施工与全断面法施工相比,CD法施工能较好地控制地表沉降和土体的水平位移问题。4)从施工实测资料和数值模拟计算结果看,在此种施工方法和地质条件下,采用Midas-gts软件中的摩尔—库仑本构模型计算得出的结果要比实际监测值略大,计算结果偏保守,原因是在施工数值模拟时有些条件选用的比较保守,例如:开挖进尺为2 m,而实际工程中,开挖进尺为0.5 m。另外在数值模拟时,各个地层分界面之间都假定为水平面,而实际中地层分界面并非水平。