基于FLAC3D的某地铁隧道横断面开挖变形规律研究

2020-05-31陈雅君仇亚伟蒋亚龙

中州大学学报 2020年2期

杨坦，陈雅君，仇亚伟，蒋亚龙*

(1.建筑结构安徽省普通高校重点实验室(安徽新华学院)，安徽合肥 230088；2.安徽新华学院土木与环境工程学院，安徽合肥 230088；3.安徽建工集团第三建设公司，安徽合肥230011)

开展地下交通建设已经成为缓解城市交通压力的重要措施之一，地铁建设环境的特殊性也使得地铁施工安全形势日益严峻[1]。因此，加强地铁施工过程中的变形规律研究对预防地铁坍塌事故意义重大。对此，学者们开展了多项研究，其中王玉田[2]采用Midas GTS NX分析了青岛地铁流亭机场站基坑开挖过程，并结合现场监测数据，得到支护结构变形的一般规律；郭海峰[3]对北京地铁隧道施工现场高层建筑物荷载进行了分析，提出了4种荷载对地铁隧道变形影响的作用模式，并开展了物理相似模拟实验，验证了作用模式的合理性。

国内外学者对地铁隧道变形的研究主要涉及监测数据的分析和物理相似模拟实验研究，对地铁隧道开挖过程中的变形规律动态研究相对不足。由于地铁隧道开挖活动中围岩和支护体的应力应变状态是一个连续过程，对地铁施工安全的影响是一个持续过程，因此结合具体施工方案开展地铁隧道开挖过程数值模拟研究很有必要。本文针对某地铁隧道开挖活动，采用FLAC3D有限元分析软件进行过程模拟，对指导地铁隧道开挖方案设计及具体施工过程具有较大的实用价值。

1 工程概况

合肥市轨道交通3号线土建TJ08标位于合肥市蜀山区、庐阳区，沿潜山北路地下敷设，起点里程为DK15+301.65，终点里程为DK17+900.800，线路总长度为2599.15m。沿线两侧高层建筑密集，建筑物距离地铁隧道较近，且区间地下管网密集，依据勘察报告提供的地质资料，本区间隧道围岩等级为Ⅰ级，本区间曾经发生过地下街施工坍塌事故，故在地铁隧道施工中应预防塌方事故的发生。

1.1 地质条件

本隧道施工区间沿着包公大道，是一段公路隧道，地段相对繁华，施工线路周边有中海滨湖公馆、金斗公园等，地形相对平整。

根据数据收集资料，各个岩层土体性质如下：

(1)素填土层

分布广泛，颜色呈褐色或灰褐色，质地松软，以粉质黏土为主，有少许碎石。层底标高：8.52～16.55米。

(2)杂填土层

颜色繁杂，质地松软紧密，稍微湿润，掺杂不少碎石，以黏性土为主，含有建筑、生活垃圾。层底标高：12.05～15.88米。

(3)粉土和粉质黏土

颜色呈黄褐色，土质稍微湿润，紧密，中压缩性，含铁质氧化物，粉质黏土层坚硬，干强度高，该层连续分布，层底标高：9～13.2米。

(4)砾砂、粗砂

颜色呈黄褐色、褐色，土质湿润饱和，密度中等，以矿物质石英、长石为主，层底标高：2.84～12.89米。

(5)岩石层

白垩纪基岩，风化泥质砂岩颜色呈棕红色，紧密，湿润，主要矿物成分为石英、云母等，易碎，风化泥质砂岩在不同地层中风化程度不同，有强风化泥岩和中等风化泥岩。层底标高：-1.2～12.21米。

参考施工区段的地质勘查报告中的力学性质参数值，综合如下表1所示。

表1 部分岩土力学性质参数估值表

1.2 地铁隧道施工过程简介

备选设计方案中，该标段隧道开挖横截面形状为马蹄形，宽度为6m，隧道开挖实施暗挖法，采用隧道台阶法开挖，通过竖井至马头门拱顶标高，随后竖井格栅环向进行封闭，拱脚设锁脚小导管，喷射马头门拱部位混凝土，转入横通道施工。同样，横通道施工至正线马头门时，预留马头门洞口及大管棚、超前小导管空洞，加强马头门两侧格栅的连接，待横通道施工完毕后，再破马头门进入正线施工。

2 地铁隧道开挖过程数值模拟

2.1 FLAC3D软件在地铁隧道开挖模拟中的应用

本文计算采用FLAC3D对地铁隧道开挖变形进行模拟计算，并且按照工程施工的相关规范和标准，根据施工现场地质状况和周边环境影响进行设计参数确定，结合相关地铁隧道施工经验初步确定本方案。

2.2 计算模型及参数

根据上述的条件来建立一个隧道模型，首先要做的就是根据实际的情况采用合理的边界范围，由于隧道开挖会导致施工部位周围土体应力重分布，考虑到其变形范围可能很大，选用模型的边界范围是隧道开挖尺寸的四倍，这样对土体变形的分析更有准确性。模型构建的与实际的情况越接近，得出的结果越精确。同时控制构建模型参数可靠性同样非常重要，模型建立后所运算出来结果的正确性很大程度上取决于这些材料性质参数的选取。

在这个模型中设置固定边界条件，设与隧道横断面平行的方向为X方向，垂直横断面方向为Y方向，垂直于地面为Z方向。控制模型轴向(X)两侧的位移和隧道底部Z方向的位移，这些都用固定约束的形式，同时假设隧道上方荷载均匀分布。本模型尺寸为24m×20m×16m，形成网格单元1320个，节点1764个。

2.3 地铁隧道开挖模拟

本文先用零模型来模拟隧道开挖过程，用摩尔-库伦塑性模型构建隧道围岩周围土体，用各向同性弹性模型模拟开挖支护。各向同性弹性本构模型构建需要两个工程地质参数，这两个参数分别是剪切模量G和体积模量K，不过它们可以根据弹性模量E和泊松比v由下列公式(1)和(2)计算得出。为了方便计算起见，在Flac3D有限差分软件中也可以通过直接输入弹性模量E和泊松比v来定义各项同性弹性材料的物理性质，具体数值见上表1。

(1)

(2)

假设隧道模型符合弹塑性本构模型[6]，给模型赋予地质参数，运行得出体系最大不平衡力变化曲线图如图1所示，此时的位移云图如图2所示。

图1 初始体系最大不平衡力变化曲线图

从图1能够看出，初始体系最大不平衡力随着时间的进行，逐渐趋近收敛，这说明土体地应力逐渐趋于平衡，不过这并不表明此时土体不会发生移动变形，这种平衡只是说明网格节点处于力平衡，这是一种动态平衡，比如土体产生稳定的塑性变形。此时建立的模型是在隧道施工前的状态，可以认为这时的土体已经不产生移动变形了，故将图2产生的土体移动量清零，而应力保留。

图2 隧道开挖前初始位移云图

先进行隧道台阶法上部分施工，如果没有进行支护，这时隧道围岩最大不平衡力重分布变化规律如图3所示，此时隧道围岩拱顶和底部的Z向位移云图如图4所示。

图3 不设支护最大不平衡力重分布变化曲线图

图4 不设支护隧道围岩Z向位移云图

此时在开挖后适时地对隧道进行初期支护，绑扎钢筋网片然后喷射混凝土，这时体系最大不平衡力重分布变化曲线如图5所示，此时隧道围岩拱顶和底部的Z向位移云图如图6所示。

图5 初期支护后最大平衡力重分布变化曲线图

2.4 结论分析

由图4和图6可以看出，不设支护隧道围岩顶部下沉变形量为3.58cm，隧道底部隆起变形量为1.0cm，采取初期支护后，隧道围岩顶部最大移动变形量为2.44cm，隧道底部变形量为2.23cm。可以看出，设置了初期支护后隧道围岩变形量有着不小的变化。

3 地铁隧道开挖监测分析

本文主要研究由于隧道的开挖而引起的围岩变形，因此将详细介绍围岩变形在隧道施工中的监测方法，并根据在地铁3号线方庙站至窦桥湾站区间收集到的实测资料，对隧道开挖施工引起的变形规律进行监测分析。

3.1 监测目的

了解隧道拱顶下沉和周边收敛位移的最大值，从围岩拱顶变形的速率及大小分析判断出围岩的稳定情况，选择合适的二衬支护时机。对隧道开挖地表沉降监测，分析隧道开挖对上方土体的影响，和隧道拱顶下沉变形量对比分析，观测支护效果和反馈设计，调整开挖支护方案，指导现场施工。

3.2 测点布置

监测仪器采用全站仪，在初期支护后应对围岩拱顶下沉及周边收敛的情况进行测量。测量的前提是每隔30m布置一个测量断面，隧道围岩监测点分布在围岩拱顶和侧拱的部位，围岩拱顶监测下沉变形量，侧拱监测水平收敛，具体的分布位置如图7所示。

3.3 监测数据分析

本文收集到监测数据是窦桥湾站附近隧道区段资料，监测的频率为每两天监测一次，随着隧道项目工程的进行，监测点的变化曲线如图8所示。

图8 监测点累计变形量曲线图

从监测的数据来看，此隧道断面变形累计值随着时间变化而增大，最终在第九天时拱顶沉降值在2.3cm时趋于稳定，曲线波动较小；隧道侧拱水平收敛变形量最终累计值在1.9cm时趋于稳定，曲线波动较小。与数值模拟的结果相比差值不大，说明数值模拟具有可行性。整体上看隧道拱顶的变形量比孔径水平收敛变形量大，因此在考虑支护时要注重上部的支护。