重庆轻轨大坪车站隧道暗挖段施工方法数值优化分析

1重庆轻轨大坪车站隧道暗挖段施工方法数值优化分析【摘要】用有限元数值分析方法计算分析了超浅埋大断面暗挖段车站隧道的各种施工方法下的力学行为，根据计算力新选择了合理的施工方法，施工实践证明根据这种分析选择的施工方法是可行并可靠的。【关键词】大断面隧道施工方法有限元优化分析1工程概况重庆轻轨大坪车站隧道暗挖段，其起讫里程为DK7+658．20-DK7+739．50，全长为81．3m，设计纵坡为3‰。其中DK7+658．20-DK7+701．00段洞顶岩(土)体厚4-10m，为Ⅳ级围岩，成洞条件很差，为超浅埋地段；DK7+701．00～DK7+735．00段洞顶岩(土)体厚10～15m，Ⅳ级围岩，成洞条件差，属浅埋地段；DK7+735．00~DK7+739．50段顶岩(土)体厚15-25m，岩层节理裂隙不发育，岩体完整性较好，为Ⅲ级围岩，为浅埋地段。衬砌断面均采用大拱脚薄边墙隧道结构，边墙底部开挖宽为21．88m，隧道开挖高为17．86m，开挖面积达最大为430平方米，拱墙采用C30钢筋混凝土；水沟、铺底均采用C20混凝土；防水层采用1．5mm厚EVA高强度型合成树脂防水卷材；环向施工缝采用BW-96型膨胀止水条，衬砌背后设地下排水软式透水管盲沟，环向盲沟采用中250mm、间距8m，纵句采用中80mm，左右各设—根；衬砌初期支护：工字钢拱采用20b工字钢，间距为0．5m，系统锚杆采用φ25中空注浆锚杆，每根长3．5m，Ⅲ类围岩I砸为@1．0mxl．0m，按梅花型布置；钢筋网采用环向x纵向为+6．5x+8钢筋，间距为@20cmx20cm，喷射混凝土采用C20混凝土。由此可见，大坪车站隧道暗挖段属于超浅埋暗挖大断面隧道，为了确定合理的施工方法，在经验类比的基础上确定采用分步暗挖的施工方法，为了m--步确定各分步的先后顺序，特别是拱部开挖的顺序，以及是否用管棚进行拱部的支护，用有限元力、法进行了计算分析，得出了相对优化的施工方法。2数值优化分析2.1计算工况有限元计算分成4种工况，4种工况的主要施工顺序及步骤见图1。工况的不同只是拱部各部分的施工顺序和步骤不同，以及是否采用管棚。下面简述各工况的施工顺序。工况1：在拱部施工支护只施作喷混凝土，而不施作锚杆和管棚(只喷不锚)。计算时模拟步骤为3(1)左右导洞1、1’开挖，同时施作左右导洞1、1’拱部喷混凝土及中隔壁型钢钢架喷射混凝土；(2)中隔壁3开挖，中隔壁拱顶喷混凝土；(3)拱部混凝土5浇注；(4)下半断面中槽6开挖；图1车站隧道双侧壁导洞法施工程序图(5)下半断面左右侧上台阶7、7’开挖，同时做8、8’喷／昆凝土支护；(6)下半断面左右侧上台阶9、9’开挖，同时做10、10’啸，8凝土支护；(7)浇注左右侧边墙11、11’混凝土。工况2：在拱部施工支护施作喷混凝土和锚杆，而不沲作管棚(普通喷锚、无管棚)：计算时模拟4步骤为：(1)施作左右导洞1、1’拱部喷混凝土、锚杆，左右导洞1、1’开挖，同时施作中隔壁型钢钢架喷射混凝土；(2)中隔壁3开挖，中隔壁拱顶喷混凝土和锚杆；(3)拱部混凝土5浇注；(4)下半断面中槽6开挖；(5)下半断面左右侧上台阶7、7’开挖，同时做8、8’喷混凝土支护；(6)下半断面左右侧上台阶9、9’开挖，同时做10、10’喷混凝土支护；(7)浇注左右侧边墙11、11’混凝土。工况3：在拱部施工支护施作喷混凝土和锚杆，并施作管棚(喷锚+管棚)：计算时模拟步骤为；5(1)左右导洞1、1’开挖，同时施作左右导洞拱部喷混凝土、锚杆和管棚及中隔壁型钢架喷射混凝土；(2)中隔壁3开挖，中隔壁拱顶喷混凝土、锚杆和管棚；(3)拱部混凝土5浇注；(4)下半断面中槽6开挖；(5)下半断面左右侧上台阶7、7’开挖，同时做8、8’喷混凝土支护；(6)下半断面左右侧上台阶9、9’开挖，同时做10、10’喷混昆凝土支护；(7)浇注左右侧边墙11、11’混凝土。工况4：在拱部施工支护惋作喷混凝土和锚杆，并施作管棚(喷锚+管棚)。但开挖顺序与工况3不同，计算时模拟步骤为：6(1)中隔壁3开挖，中隔壁拱顶喷混凝土、锚杆和管棚；(2)左右导洞1、1’开挖，同时施作左右导洞拱部喷混凝土、锚杆和管棚及中隔壁型钢钢架喷射混凝土；(3)拱部混凝土5浇注；(4)下半断面中槽6开挖；(5)下半断面左右侧上台阶7、7’开挖，同时做8、8’喷混凝土支护；(6)下半断面左右侧上台阶9、9’开挖，同时做10、10’喷混凝土支护；(7)浇注左右侧边墙11、11’混凝土。2．2计算参数4种工况计算均采用弹塑性平面应变模型进行计算分析，围岩、锚固范围、管棚用平面4边形单元弹塑性材料模拟，采用Drucker-Prager屈服准则；混凝土衬砌、喷混凝土、中隔壁型钢喷混凝土采用梁单元弹性材料模拟。围岩采用Ⅳ级围岩的参数，管棚、锚杆均根据其作用的等效原则来考虑，7即提高围岩的粘聚力和摩擦角来替代锚杆的作用，衬砌采用C30涸疑土的材料参数，喷混凝土采用C20喷混凝土的材料参数。具体计算参数见表1。2.3计算模型在计算分析中，采用一个共同的模型进行分析，不同工况在求解过程中用不同的开挖命令流来控制。计算范围横向取开挖宽度的5倍。计算边界条件左右两个侧面限制水平方向位移(等于0)，界限制Y方向的位移(等于0)。见图2。计算模型及有限元网格划分见图3。图2计算模型与边界条件图3计算模型与网格划分3计算结果与分析对工况1-工况4进行计算，各种工况开挖完成后的地表8位移和拱顶下沉计算结果见表2。从计算结果表明：工况1计算不收敛，说明若只喷不锚，开挖后，围岩不能稳定，所以这种施工方法最好不要选择。工况2地表沉降明显比工况3和工况4大，且超过了地表沉降的最大限值(3cm)，虽然能够稳定，但这种地表位移和拱顶下沉计算结果方法也应慎重选择。工况3和工况4能够稳定，地表沉降都较小，且小于地表沉降的最大限值(3cm)，但工况3与工况4比较，工况4的最大地表沉降要大于工况3，因此，采用工况3的这种施工方法，即在拱部施工支护施作喷混凝土和锚杆，并施作管棚(喷锚+管棚)，且先开挖两侧导坑，这种施工方法更为合理。为了了解各步开挖的力学行为，限于篇幅仅给出工况3每—步开挖的位移矢量和塑性区。见图4-图8。4结论(1)计算分析结果表明，采用与计算工况3相同的施工方法，对于控制地表沉降和拱顶下沉是有效的；(2)采用管棚施工支护的措施可以有效地控制减少地表9沉降和拱顶下沉；(3)拱部开挖应采取先开挖两侧，再开挖中部较为合理。