十導(dǎo)洞CRD工法地鐵風(fēng)道結(jié)構(gòu)流固耦合數(shù)值分析

孫明志，戴文亭，郝佰洲，武 皓

(吉林大學(xué)交通學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

0 引言

隨著我國(guó)城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市交通負(fù)擔(dān)日益嚴(yán)重。城市軌道交通依靠其安全、快速、準(zhǔn)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，在改善城市交通環(huán)境、打造城市快速立體交通網(wǎng)絡(luò)方面發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。而地鐵大多在城市中心區(qū)修建，不可避免地會(huì)對(duì)周圍的道路、管線、建筑物、綠地及地面的各種設(shè)施造成影響。尤其是地鐵車站的修建，地鐵車站開挖范圍大，施工步序多，頻繁對(duì)地層進(jìn)行擾動(dòng)，會(huì)引起車站開挖一定范圍的地層沉降［1－3］。

目前隧道開挖引起地層變形的計(jì)算方法大致有經(jīng)驗(yàn)公式法、理論解析法、數(shù)值分析法、模型試驗(yàn)法、隨機(jī)介質(zhì)方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等［4－5］。由于數(shù)值方法能考慮不同地層環(huán)境的變形、復(fù)雜的邊界條件及施工工藝，所以數(shù)值分析法越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于地下工程中。黃明利等［6］采用三維有限元方法對(duì)廈門海底暗挖洞口段CRD法施工的不同工序進(jìn)行彈塑性數(shù)值模擬，分析各工序間變形分配比例和施工工序?qū)Τ两档挠绊憽⒒勖舻龋?］利用有限元軟件ANSYS，優(yōu)化分析了2種不同的導(dǎo)洞開挖及3種不同的拆撐順序。但目前的研究大多針對(duì)四導(dǎo)洞或六導(dǎo)洞CRD工法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于十導(dǎo)洞拱頂直墻CRD工法結(jié)構(gòu)尚無(wú)具體的針對(duì)性分析。

本文依托長(zhǎng)春地鐵解放大路站十導(dǎo)洞CRD工法施工風(fēng)道結(jié)構(gòu)工程，在總結(jié)前人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，確定最優(yōu)化的導(dǎo)洞開挖順序，并對(duì)整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，結(jié)合工程實(shí)踐提出具體的改進(jìn)措施。

1 工程概況

長(zhǎng)春地鐵解放大路站位于人民大街與解放大路交匯處，為地鐵1號(hào)線和2號(hào)線換乘車站，在區(qū)間配有聯(lián)絡(luò)線和單渡線。解放大路站1，2，3，4號(hào)風(fēng)道均采用十導(dǎo)洞CRD法施工，具體施工方案如圖1所示。

圖1 十導(dǎo)洞CRD風(fēng)道施工順序圖Fig.1 Construction sequence of 10-pilot-heading CRD method

如圖1所示，首先在豎井內(nèi)施作超前管棚及超前小導(dǎo)管，注漿加固地層，先后開挖10個(gè)導(dǎo)洞洞室土體，施作初期支護(hù)及鎖腳錨管，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)封閉掌子面，各洞室縱向間距保持15 m左右。導(dǎo)洞完成后采用逆作法進(jìn)行二次襯砌結(jié)構(gòu)施工，分段鑿除臨時(shí)支撐，由下至上分別施作防水層，底板、中板及頂拱，完成二次襯砌澆筑。

工程范圍內(nèi)地層由第四系全新統(tǒng)人工填土層、第四系中更新統(tǒng)沖洪積黏性土和砂土、白堊系泥巖組成;地層存在3層地下水，第1層為孔隙性潛水，第2層為淺層承壓水，第3層為巖石裂隙水，無(wú)穩(wěn)定地下水位。

2 模型建立

數(shù)值計(jì)算分析采用 FLAC3D有限差分程序［8］。根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果，模型簡(jiǎn)化為4個(gè)土層，填土厚2 m，黏土層厚8 m，粗砂層厚2 m，最下為泥巖層。假定地表和各土層均勻水平分布，土體材料采用摩爾－庫(kù)侖本構(gòu)模型，混凝土材料采用彈性模型。導(dǎo)洞超前支護(hù)管棚和小導(dǎo)管注漿根據(jù)經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)化為2 m厚的注漿加固層。地層和材料的應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化，地應(yīng)力場(chǎng)由自重應(yīng)力自動(dòng)生成?？紤]空隙性潛水與淺層承壓水的影響，兩者相互聯(lián)通，承壓水主要由潛水補(bǔ)給。采用fluid流體模塊與力學(xué)模塊耦合分析整個(gè)施工過(guò)程，其中流體模塊選擇fl-isotropic均質(zhì)流體模型進(jìn)行計(jì)算，假定固體顆粒骨架是不可壓縮的。含水層中取粘土滲透系數(shù)為3×10－8m/s、粗砂滲透系數(shù)為4 ×10－5m/s。

由于建模范圍考慮到尺寸效應(yīng)，兩側(cè)至少2倍風(fēng)道寬度，所以整個(gè)模型取寬60 m，高40 m，縱向取45 m。模型力學(xué)邊界上表面為自由表面，對(duì)其他5個(gè)表面進(jìn)行法向約束，滲流邊界將模型側(cè)方邊界孔隙壓力固定。具體模型如圖2所示。

圖2 CRD風(fēng)道模型圖Fig.2 Model of ventilation passage constructed by CRD method

依據(jù)勘測(cè)單位提供的土工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及原位實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合本地經(jīng)驗(yàn)，確定材料如表1所示。

表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameters

3 結(jié)果分析

3.1 CRD 風(fēng)道導(dǎo)洞開挖順序研究

在工程實(shí)踐中，十導(dǎo)洞CRD工法施工風(fēng)道結(jié)構(gòu)較為常見的導(dǎo)洞開挖順序有2種，如圖3所示。

圖3 不同開挖順序?qū)Ф词┕し桨窮ig.3 Sequence of pilot heading

3.1.1 地表沉降

參照實(shí)際地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況，以模型中間斷面為基準(zhǔn)選擇10個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置布置情況如圖4所示。

圖4 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 Layout of ground surface monitoring points

導(dǎo)洞開挖完成時(shí)地表沉降對(duì)比如圖5所示。

圖5 導(dǎo)洞開挖完成時(shí)地表沉降對(duì)比圖Fig.5 Curves of ground surface settlement when pilot heading is completed

分析圖5可知，方案2地表沉降整體上較方案1大，與方案1相比，方案2開挖中軸線位置地表沉降要大10%，距離中軸線較遠(yuǎn)處2方案地表沉降值更為接近。

3.1.2 地表最大沉降歷時(shí)變化

選擇地表最大沉降值點(diǎn)作為分析點(diǎn)，2方案中軸線地表沉降最大值點(diǎn)的沉降歷時(shí)變化如圖6所示。

圖6 地表最大沉降值點(diǎn)沉降歷時(shí)對(duì)比圖Fig.6 Time-dependent ground surface settlement at the point with the maximum settlement

分析圖6可知，相對(duì)于方案1，方案2在2號(hào)導(dǎo)洞開挖支護(hù)時(shí)，地表最大沉降值增加很快，對(duì)上部土體的造成的擾動(dòng)較大，這在一定程度上削弱了土體的抗變形能力，造成后序的施工步驟引起的沉降也相應(yīng)增大，使方案2的各沉降值均大于方案1的沉降值。

3.1.3 側(cè)壁水平收斂

由于風(fēng)道結(jié)構(gòu)高跨比較大，風(fēng)道結(jié)構(gòu)中下部邊墻會(huì)受到較大的側(cè)向土壓力的影響，所以在開挖風(fēng)道結(jié)構(gòu)內(nèi)部土體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比較明顯的向內(nèi)水平位移，甚至比豎向位移更需要得到重視。在風(fēng)道結(jié)構(gòu)周圍布置18個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖7所示。

圖7 水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.7 Layout of horizontal displacement monitoring points

當(dāng)10個(gè)導(dǎo)洞開挖完成時(shí)，水平相對(duì)的2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均向風(fēng)道內(nèi)部偏移?？紤]到2個(gè)方案的不同導(dǎo)洞開挖順序，選取十導(dǎo)洞開挖完成時(shí)，水平相對(duì)的2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)整體水平收斂值進(jìn)行對(duì)比分析。2方案的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平收斂對(duì)比如圖8所示。

分析圖8可知，風(fēng)道結(jié)構(gòu)上方的7個(gè)位置處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平收斂是方案1優(yōu)于方案2，風(fēng)道結(jié)構(gòu)下方的2個(gè)位置處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平收斂是方案2優(yōu)于方案1。

圖8 不同埋深處各監(jiān)測(cè)點(diǎn)側(cè)壁水平收斂對(duì)比圖Fig.8 Horizontal convergence at monitoring points at different depths

3.1.4 土體塑性區(qū)分布

圖9為2種方案導(dǎo)洞開挖完成時(shí)塑性區(qū)分布。

圖9 2種方案塑性區(qū)分布Fig.9 Distribution of plasticized zone

分析圖9可以看出，與方案1相比，當(dāng)10個(gè)導(dǎo)洞開挖完成后，方案2洞室周圍土體的塑性區(qū)分布范圍要大一些。

3.1.5 水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力

選擇圖7所示的監(jiān)測(cè)點(diǎn)17和監(jiān)測(cè)點(diǎn)18作為分析點(diǎn)1和分析點(diǎn)2，不同的開挖順序時(shí)水平壓應(yīng)力圖和豎向壓應(yīng)力圖如圖10和圖11所示。

分析圖10和圖11可知，與方案1相比，當(dāng)10個(gè)導(dǎo)洞開挖完成后，方案2在分析點(diǎn)1和2處的水平壓應(yīng)力較大，而當(dāng)10個(gè)導(dǎo)洞開挖完成后，2個(gè)方案在分析點(diǎn)1和2處的豎向壓應(yīng)力相差不大。

綜合分析以上數(shù)據(jù)，在控制地表沉降、側(cè)壁收斂及土體塑性區(qū)分布上，方案1要優(yōu)于方案2，水平應(yīng)力比較方案1也要優(yōu)于方案2，只有從豎向應(yīng)力比較方案2略優(yōu)于方案1，所以根據(jù)對(duì)比結(jié)果綜合考慮，導(dǎo)洞開挖順序應(yīng)優(yōu)先選擇方案1。

圖10 水平壓應(yīng)力對(duì)比圖Fig.10 Horizontal stress

圖11 豎向壓應(yīng)力對(duì)比圖Fig.11 Vertical stress

3.2 CRD風(fēng)道施工過(guò)程模擬研究

3.2.1 沉降分析

圖12為風(fēng)道整體完成豎向沉降云圖。

圖12 CRD風(fēng)道整體完成豎向沉降云圖Fig.12 Contour of vertical settlement of ventilation passage constructed by CRD method when the construction is completed

圖13為通過(guò)數(shù)值模型計(jì)算后，典型監(jiān)測(cè)斷面施工各階段地表沉降的變化情況。

施工完成后中軸線最大沉降點(diǎn)沉降值達(dá)到60.3 mm，CRD風(fēng)道10個(gè)導(dǎo)洞開挖完成時(shí)該點(diǎn)沉降值為35.1 mm，與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)吻合(目前工程已完成10個(gè)導(dǎo)洞開挖，10導(dǎo)洞完成各斷面實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示最大地表沉降值為32～37 mm)，10導(dǎo)洞完成時(shí)地表沉降大約占總沉降值的58%。

底二次襯砌施工時(shí)會(huì)先破除底部初期支護(hù)，此工序引起極大的受力轉(zhuǎn)換，該工序完成時(shí)地表最大沉降值達(dá)到54 mm，較上一步增加18.9 mm，占總沉降量的31.3%?？梢?，拆除底部初期支護(hù)要采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，建議底初期支護(hù)拆除完成后及時(shí)換撐，換撐可選用工字鋼，1.5 m一道，同時(shí)加強(qiáng)拱頂注漿，及時(shí)監(jiān)測(cè)反饋施工。后序的二次襯砌施工引起的變化比較小。

圖13 施工各階段地表沉降曲線圖Fig.13 Curves of ground surface settlement in different construction stages

3.2.2 水平位移分析

圖14為CRD風(fēng)道整體完成時(shí)水平位移云圖。

圖14 CRD風(fēng)道整體完成時(shí)水平位移云圖Fig.14 Contour of horizontal displacement of ventilation passage constructed by CRD method when the construction is completed

根據(jù)計(jì)算得到數(shù)據(jù)，做出風(fēng)道結(jié)構(gòu)收斂變化歷時(shí)曲線如圖15所示。

由圖15數(shù)據(jù)分析可知:

1)導(dǎo)洞全部開挖完成后，由于土體的開挖引起風(fēng)道兩側(cè)的土體向內(nèi)側(cè)收斂移動(dòng)，最大水平收斂出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)15和16之間，達(dá)到38.6 mm，由于土壓力的作用，風(fēng)道下層的水平收斂要大于上部。

2)拆除底部初期支護(hù)，施作二次襯砌結(jié)構(gòu)，風(fēng)道側(cè)壁失去水平初期支護(hù)的支撐會(huì)發(fā)生較大的向內(nèi)側(cè)收斂，風(fēng)道水平監(jiān)測(cè)點(diǎn)13和14向內(nèi)側(cè)收斂達(dá)到45.7 mm，較導(dǎo)洞開挖完成時(shí)增長(zhǎng)了39%，變形較大。所以此過(guò)程需要嚴(yán)格控制每步的開挖距離，增加臨時(shí)橫向支撐結(jié)構(gòu)。

圖15 風(fēng)道水平收斂歷時(shí)曲線Fig.15 Time-dependent curves of horizontal convergence of ventilation passage

3)中板施作結(jié)束后下方二次襯砌形成了封閉結(jié)構(gòu)，中板下側(cè)水平收斂基本穩(wěn)定。

4)頂部二次襯砌施工時(shí)拆撐部位水平位移變化明顯，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和2間水平收斂達(dá)到34.5 mm，較拆撐前增加78%;監(jiān)測(cè)點(diǎn)3和4間水平收斂達(dá)到39.8 mm，較拆撐前增加80%;監(jiān)測(cè)點(diǎn)5和6間水平收斂達(dá)到42.5 mm，較拆撐前增加57%。此階段拆撐位置水平收斂明顯增加，需要特別注意，增加臨時(shí)支護(hù)，減小施工步距。已經(jīng)施作二次襯砌的結(jié)構(gòu)處水平位移稍有增加，風(fēng)道結(jié)構(gòu)整體完成后，最大水平收斂發(fā)生在監(jiān)測(cè)點(diǎn)13和14之間，達(dá)到52.6 mm，較上一階段增加2.7%，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況

測(cè)點(diǎn)布置是以滿足現(xiàn)場(chǎng)安全管理管理和監(jiān)控為前提，在保證施工監(jiān)測(cè)與第三方監(jiān)測(cè)同點(diǎn)同時(shí)段監(jiān)測(cè)的基本要求下，綜合施工圖監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)、第三方監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)圖優(yōu)化而成。地表沉降各監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面布置如圖4所示，每隔5 m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。

4.2 監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比

本工程已經(jīng)完成10個(gè)導(dǎo)洞開挖，地表沉降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比如圖16所示。

圖16 10個(gè)導(dǎo)洞開挖完成地表沉降監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖Fig.16 Measured ground surface settlement when pilot heading is completed Vs simulated values

由圖16可知，風(fēng)道結(jié)構(gòu)導(dǎo)洞開挖支護(hù)完成地表沉降曲線數(shù)值模擬值與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，同樣，側(cè)壁收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果也較為吻合。表明前文對(duì)導(dǎo)洞開挖順序研究的正確性，也為后續(xù)對(duì)拆撐施作二次襯砌結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)提供了支持。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

以長(zhǎng)春地鐵解放大路站十導(dǎo)洞CRD法地鐵風(fēng)道為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，得出以下結(jié)論:

1)對(duì)比分析2種不同的導(dǎo)洞開挖方案，最終得出本文4.2節(jié)方案1為最優(yōu)的導(dǎo)洞開挖方案。

2)施工完成后中軸線最大沉降點(diǎn)沉降量達(dá)到60.3 mm，CRD風(fēng)道10個(gè)導(dǎo)洞開挖完成時(shí)該點(diǎn)沉降值為35.1 mm，與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)吻合。

3)拆除底層初期支護(hù)施工底板二次襯砌為該工法的薄弱環(huán)節(jié)，建議底初期支護(hù)拆除后及時(shí)換撐，換撐可選用工字鋼，每1.5 m布置一道，同時(shí)加強(qiáng)拱頂注漿，及時(shí)監(jiān)測(cè)反饋施工，可保證工程安全有序進(jìn)行。

4)風(fēng)道結(jié)構(gòu)整體完成后最大水平收斂達(dá)到52.6 mm，下側(cè)的水平收斂要大于上側(cè)，拆除臨時(shí)仰拱時(shí)會(huì)另臨近側(cè)壁產(chǎn)生較大的水平收斂，建議拆除臨時(shí)仰拱時(shí)要及時(shí)換撐，要減小風(fēng)道結(jié)構(gòu)下側(cè)每段破除支護(hù)距離，增加下側(cè)臨時(shí)水平支撐數(shù)量。

5)從目前的施工效果看，此工法可以較好地適應(yīng)長(zhǎng)春地層環(huán)境，具有一定的推廣價(jià)值。

5.2 討論

1)本研究計(jì)算內(nèi)容并沒(méi)有考慮工前的降水作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示降水過(guò)程后地表沉降可達(dá)到1 cm以上，后續(xù)的研究應(yīng)考慮得更加全面來(lái)使計(jì)算更接近于實(shí)際。

2)對(duì)于工后沉降目前還沒(méi)有系統(tǒng)完善的研究，而工后沉降是地鐵工程運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生的，這方面的工作具有重要意義。

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