浅埋暗挖中洞法初期支护施工三维数值模拟

李 震 吴宏基 尹晓亮

隧洞及地下洞室围岩丧失稳定性,是由于围岩的应力水平达到或超过岩体的强度范围较大,形成了一个连续贯通的塑性区和滑动面,产生较大位移最终导致失稳。因此,隧洞围岩稳定性研究的实质是分析和评价围岩岩体介质的应力和变形。对于浅埋暗挖法工程工法,目前多采用以岩石力学原理为基础的、考虑支护与围岩共同作用的地下工程现代支护理论作为理论支持,在地下工程围岩稳定性开展计算机数值分析。可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性的问题,是地下工程掩体应力应变分析最常用的方法。本文针对浅埋暗挖中洞法的施工特点,结合北京地铁四号线陶然亭站工程,利用大型有限元计算程序MIDAS-GTS对其初期支护过程进行三维数值模拟,可供今后类似施工参考借鉴,并对今后类似施工提出了建议。

1 工程概况

北京地铁四号线陶然亭站位于菜市口南大街与白纸坊路交叉十字路口,车站沿菜市口南大街南北布置,两端采用明挖法施工,受地下管线及交通影响,车站中部跨路口地段采用浅埋暗挖中洞法施工。暗挖段长度46.56 m,位于车站中部K5+466.72～K5+513.28段,车站中心里程K5+490,暗挖段覆土厚度9.5 m左右,设计采用单层单柱连拱复合衬砌结构形式,设计断面最大开挖宽度20.994 m,最大开挖高度11.091 m。

根据勘察设计提供的情况看,本站地下水为层间潜水,水位标高为22.73～24.01,基本接近暗挖仰拱底标高。

2 施工方法

暗挖段超前支护采用超前长管棚对拱部地层超前注浆预加固,结构主体初期支护采用格栅钢架与网喷混凝土联合支护,喷射混凝土厚度350 mm,格栅钢架纵向间距0.5 m,临时支护采用型钢钢架与网喷混凝土联合支护,喷射混凝土厚度300 mm,临时支护钢架配合主体结构钢架纵向间距0.5 m,初期支护结构形式断面如图1所示。

初期支护共分15个洞室,开挖分9步,车站主体暗挖段具体开挖及初支施工步序如下:1)采用台阶法开挖中洞1洞室。2)当1洞室开挖进尺5 m后,开始开挖2洞室。2洞室开挖采用预留减压槽方式开挖,后续施工与1洞室相同,当2洞室开挖进尺5 m后,开始开挖3洞室,3洞室开挖方法同2洞室。3)中洞结构必须施工完毕后,将中洞内的顶纵梁、底纵梁与初期支护间用Ⅰ22b顶紧,以保证顶纵梁、底纵梁稳定。4)4洞室开挖时,先挖拱部,预留核心土,核心土留置长度不小于1.5 m,弧形导坑开挖,挂网喷混,然后开挖仰拱,挂网喷混支立格栅封闭成环。5)5洞室～9洞室开挖:其开挖方法与4洞室开挖方法相似,每个洞室之间错开5 m,相邻两洞室之间错开15 m。

3 施工过程模拟计算分析

3.1 计算模型

有限元计算模型采用选取一定地层区域进行开挖的三维模型,模拟地层区域的宽度左右两侧取为洞室跨度的2.5倍左右,洞身沿轴线方向取为本工程暗挖段长度46.5 m,竖向上部取至地表,下部取为洞室开挖高度的3倍左右,模型尺寸为120 m×50.6 m×46.5 m。模型有64 276个单元、256 315个节点,为简化分析,对围岩及支护材料均作理想弹塑性应力应变关系进行处理,采用摩尔—库仑强度屈服准则来判断洞室周围的地层是否进入塑性状态。计算模型如图2所示。

3.2 地层和支护结构物理力学参数

大管棚超前支护及小导管预注浆加固围岩作用采用等效参数法模拟,各主要物理力学参数见表1。

表1 各主要物理力学参数

4 计算结果

计算结果显示,当暗挖段施工完毕后,地表沉降最大值在沿隧道走向中线上,其值为-73.2 mm。现场施工中进行监控量测测得地表沉降最大值为-64.89 mm。取模型沿走向方向长度的中线开挖横断面与实测两断面进行对比曲线如图3所示。

取在现场施工中离隧道中线1 m的测点cz-001-08地表沉降随开挖过程中的实际变化曲线如图4所示,而在同位置计算模型地表沉降随开挖步变化曲线如图5所示。

5 结语

根据模拟结果和现场量测结果,从地表断面沉降曲线图中可以明显看出,越靠近隧道走向中线,地表沉降越大,因此必须严格控制拱顶注浆及各步开挖过程以降低施工的危险性。

从测点地表沉降曲线图中可以明显看出:1)在中洞开挖,中洞临时支撑拆除及施作中洞结构中,地表沉降变化比较明显,而中洞开挖,临时支撑拆除也是中洞法施工的关键,因此要严格控制中洞开挖工序和尽量缩短一次性拆除临时支撑的长度;2)在侧洞开挖过程中,持续对地层进行扰动,并引起拱顶的持续沉降,因此在侧洞施工中严格控制施工导线和施工工序,尽量减少对中洞结构和中洞拱顶土层的扰动。

模拟结果与现场实测结果相差不大,且变化趋势大致相同,空间有限元能够较好的模拟大断面洞室的施工过程。

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