Phase2在地铁区间隧道泵房施工中的应用

2010-09-14张二海

地质装备 2010年3期

关键词：纵断面泵房横断面

张二海

(铁科院(北京)工程咨询有限公司广东深圳 518034)

Phase2在地铁区间隧道泵房施工中的应用

张二海

(铁科院(北京)工程咨询有限公司广东深圳 518034)

本文选取深圳地铁2号线蛇—海区间隧道左线的泵房施工作为研究对象,采用Phase2有限元分析软件对泵房横纵两个断面的开挖全过程进行了数值模拟,得到了开挖过程中的地表沉降、土体应力变化和位移等一系列计算成果,同时对格栅钢架和衬砌等支护结构的力学性态进行了深入细致的分析。研究表明,地表沉降的数值计算结果与实测值基本吻合,从而验证了计算结果的可靠性,这对于指导施工具有一定的实际意义,同时也可为今后类似工程的设计和施工提供借鉴和参考。

Phase2地铁区间隧道泵房数值模拟

1 引言

地铁区间隧道的泵房一般设于隧道中部、线路的最低处,用于将积蓄的地下水排出洞外。它与主隧道在设计和施工上有很多共同点,同时又有其自身的特点和难点。主要体现在:其断面和开挖尺寸一般较小;施工环境更为复杂(往往需要在破除已成型隧道的衬砌结构后进行开挖),不仅要考虑自身结构和地面建筑物的安全,更要确保主隧道的稳定。因此,泵房工程量虽小,施工难度却不低,若施工措施控制不当,将可能导致事故和危害。

深圳地铁2号线蛇—海区间为盾构法完成的成型隧道,其泵房为下行侧式泵房,断面为直墙拱形,采用土体加固暗挖法施工。泵房开挖周边的地质条件复杂,具有多层力学性质差异较大的地层分布,对施工期地面沉降量的预测和控制是决定施工安全的重要因素。为分析预测该泵房施工期间的地表沉降量和支护结构的受力情况,本文在详细研究地质勘察报告,在明确开挖周边地质条件的基础上,采用RockScience公司开发的Phase2有限元软件对泵房横纵两个断面的开挖全过程进行了数值模拟,分析预测了由开挖引起的地表沉降量和支护结构的力学性态。

2 工程概况

2.1 工程地质和水文地质情况

泵房处主隧道覆土约10m,泵房覆土约12.4m,泵房所处位置的地层由上至下依次为素填土、圆砾层、砾(砂)质粘性土、强风化、中风化和微风化花岗岩,开挖范围内的地层为强风化、中风化和微风化花岗岩,具体地质情况如图1所示。

图1 主隧道及泵房地质纵断面图

地质勘察报告和之前主隧道的开挖表明,泵房顶部的砾(砂)质粘性土层和全风化花岗岩层土体含水量较大,自稳能力差,施工中有可能出现涌水、涌(沙)泥或坍塌的情况。

2.2 泵房开挖和支护方式

开挖前,首先架设泵房管片临时横撑,在设计里程放样出泵房的轮廓线,然后按照施工图上的小导管间距在管片上钻孔,用水泥—水玻璃双液浆对管片背后的土体进行加固,以达到封闭水流的目的。达到加固效果后,切割管片及完成管片加强环框梁的施工,从泵房洞门拱部打入小导管进行注浆加固,待加固完成后再进行开挖。

根据地层的情况和断面尺寸,泵房采用上、下台阶法施工,开挖过程中及时支护;先开挖上部通道断面(轨面标高以上),在上部通道开挖完成后,封闭掌子面;最后再向下开挖集水池(轨面标高以下)。上部通道断面和下部集水池的初期支护闭合成环后进行衬砌背后注浆,待围岩及初期支护基本稳定后再施工防水和二次衬砌(图2)。

图2 泵房开挖支护断面图及支护参数

3 数值模型的建立

3.1 模型尺寸及边界条件

为了全面分析和把握主隧道内泵房的开挖和支护情况,本文特意选取泵房横纵两个断面作为研究对象。首先对地层情况进行概化,将地层分为7层,如图3所示。

模型设计的基本原则是泵房的开挖和支护不会波及模型边界,这样既可保证数据可靠,同时又可以减少计算工作量。根据弹性力学理论,可将泵房开挖近似视为小孔应力集中问题,当计算区域的边界大于5倍洞径时,计算误差在4%以内。所以,将纵断面的尺寸定为45(x方向)×30m(y方向);横断面的尺寸定为40(x方向)×30m(y方向)。

模型的边界条件为:侧面和底面为位移边界,侧面限制水平位移,底面限制垂直位移,上边界为自由面。模型尺寸及边界条件如图3所示。

图3 泵房计算模型示意图

3.2 材料参数的选取

根据地质勘察报告确定各土层的物理力学参数如表1所示,工程材料的物理力学参数见表2。开挖中的初期支护采用C25混凝土,二次衬砌采用C30混凝土,锚杆采用Φ42mm全长粘结型砂浆锚杆。

表1 各土层物理力学参数

3.3 模型计算说明

(1)模型计算采用摩尔—库伦准则;

(2)地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化,地应力场由重力自动生成;

(3)计算时引入荷载拆分(Load Sp litting)的概念,即考虑实际施工过程中,不可能在土体开挖后立即施作初期支护,而是有一段延迟时间,土体会在这段时间内由于应力释放产生位移和变形。为了使数值模型更加贴近实际,利用程序提供的荷载拆分功能将地应力引发的荷载合理分配到各个开挖阶段,而不是全部施加到第一阶段。

表2 工程材料的物理力学参数

4 计算结果分析

4.1 地表沉降对比分析

横断面的地表监测点采取沿泵房拱顶向两侧对称布置的方法,控制范围为左右各15m,每个测点间隔5m,共7个点;纵断面的监测点从主隧道与泵房的交汇点开始,沿泵房开挖方向15m的范围内布置,测点间隔也是5m,共4个点。

图4、图5分别给出了横纵断面实测地表沉降与计算值的对比情况,从图中可以看出:根据计算值绘出的曲线呈现正态分布,这一点符合Peck经典的沉降槽理论,实测值则由于监测点数量有限而显得较为分散,但仔细观察可发现其分布规律与计算值相吻合。

图4 横断面实测地表沉降与计算值的对比

图5 纵断面实测地表沉降与计算值的对比

此外,图中显示,横纵断面的计算值均略大于实测值,这可能与数值计算未考虑地层的注浆预加固有关。进一步观察可以发现,纵断面的实测值和计算值均大于横断面的数值,这应该是纵断面开挖尺寸较大的缘故。

4.2 地层应力、位移及塑性区分布

横纵断面开挖后,在泵房立墙与顶板和底板相交处存在应力集中现象,横纵断面的最大主应力值分别为1.3M Pa和1.9M Pa。

计算结果显示,横断面开挖对地表沉降的影响范围大约为3D,最大位移出现在泵房的拱顶部位,其值约为3.6cm;纵断面开挖对地表沉降的影响范围略小,约为2D。

塑性区分布显示,上覆地层在泵房开挖后基本处于受剪状态,且屈服区域呈现沉降槽的形态;而泵房开挖轮廓线周围的土体则主要处于受拉状态,由于采取了锚杆、喷砼等支护措施,受拉区域主要集中在开挖轮廓线周边,并未向周围土体的深部发展,说明支护结构起到了有效改善土体的作用。

4.3 锚杆力学性态分析

(1)横断面锚杆力学性态分析:上导开挖后,两帮的锚杆受力正常。而下导开挖后,由于临空面增大,上述锚杆均出现了不同程度的屈服破坏。选取受力状态最差的锚杆绘制出其轴力图,如图6所示。图中曲线A表示上导开挖后的锚杆轴力,此时的轴力处于正常状态;下导开挖后,轴力出现明显变化,距离锚固端0.4～1.3m段由于受拉呈现屈服状态,该段的轴力已降至残余拉力,失去了锚固作用,而深入岩体的锚固段轴力则大幅上升,峰值接近0.06MN,此时的锚杆处于一种非正常受力状态。

(2)纵断面锚杆力学性态分析:纵断面各开挖步骤的锚杆受力情况显示,泵房顶部锚杆的受力随着开挖面的推进呈现出渐进变化,从第五步开始出现不同程度的屈服现象,其数量和范围不断扩大,直至整个泵房开挖结束。但泵房两帮的锚杆则未发生破坏,始终处于正常的受力状态。选取泵房顶部受力最差的四根锚杆作为研究对象,绘制出其在最终开挖阶段的轴力图(见图7)。轴力曲线显示,其中一根锚杆的轴力已降至残余拉力,基本失去了锚固作用,其余三根的不同部位出现屈服,轴力峰值分别达到0.08MN、0.09MN和0.057MN。

图6 横断面某锚杆在不同开挖阶段的轴力图

图7 纵断面泵房拱顶锚杆在最终开挖阶段的轴力图

4.4 衬砌力学性态分析

(1)横断面衬砌力学性态分析:由于泵房横断面是一种左右对称结构,其衬砌的轴力、弯矩和剪力均呈现近乎理想的对称分布,说明横断面开挖后,衬砌整体结构受力均匀,处于稳定、良好的状态。

(2)纵断面衬砌力学性态分析:分析纵断面衬砌的轴力、弯矩和剪力分布可以发现,泵房拱顶的轴力从洞门向里逐渐增大,至拱顶与立墙的交汇处达到峰值,立墙上轴力的分布则较为均匀;弯矩的分布情况刚好与轴力相反,即洞门拱顶处的弯矩值最大,向里逐渐减小;剪力峰值则出现在拱顶与立墙的交汇处,这一点与轴力的情况相同。

通过比较纵断面初支喷砼和二衬在最终开挖阶段的轴力(见图8),可以分析出二者在支护结构中所起的作用。从图中可以看出,初支喷砼的轴力明显大于二衬的轴力,这是由于初支喷砼的施作早于二衬,因而承担了更多岩体变形所产生的荷载,当岩体产生进一步变形并导致开挖轮廓线周围的应力重分布时,二衬才会发挥作用。此处由于篇幅限制,仅给出了初支喷砼和二衬的轴力比较,其弯矩和剪力的比较存在类似的结果。