側(cè)導(dǎo)洞寬度對(duì)地鐵大斷面隧道施工的影響分析

畢振帥　余海英　趙鵬沖　路　偉

(1.解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京　210007；　2.中國(guó)人民解放軍73071部隊(duì)，江蘇 徐州　221400)

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側(cè)導(dǎo)洞寬度對(duì)地鐵大斷面隧道施工的影響分析

畢振帥1余海英1趙鵬沖1路偉2

(1.解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京210007；2.中國(guó)人民解放軍73071部隊(duì)，江蘇 徐州221400)

以南京軌道交通地下工程為依托，采用有限元軟件，對(duì)大跨淺埋隧道的施工過(guò)程開展數(shù)值模擬研究，分析了側(cè)導(dǎo)洞寬度對(duì)大斷面隧道施工安全系數(shù)的影響，得出了一些有意義的結(jié)論。

大斷面隧道，側(cè)導(dǎo)洞寬度，安全系數(shù)，強(qiáng)度折減法

隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，人口從農(nóng)村流向城市，城市人流量增大，而城市能夠規(guī)劃的空間有限，城市空間變得擁堵。城市軌道交通由于其優(yōu)于普通地面公共交通的快捷、舒適、環(huán)保等特點(diǎn)[1-3]，隨著中國(guó)城市的發(fā)展，軌道交通的建設(shè)越來(lái)越常見。城市軌道交通主要包括地鐵、輕軌、磁懸浮等多種類型[4,5]。地鐵作為城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分，截至2015年4月底，國(guó)內(nèi)累計(jì)已有19個(gè)城市建成地鐵87條線路。由于地鐵折返線、地鐵車站等的需要，大斷面隧道的建設(shè)將不可避免[6]。王明年，關(guān)寶樹等[7]采用模型試驗(yàn)和有限元方法對(duì)三車道公路隧道在不同構(gòu)造應(yīng)力作用下的力學(xué)行為進(jìn)行了深入研究。霍衛(wèi)華[8]針對(duì)軟弱圍巖大跨隧道，采用有限元方法對(duì)施工過(guò)程中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)體的受力狀態(tài)進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)各部開挖施工的影響。王應(yīng)富等[9]針對(duì)四車道大跨高速公路隧道，有限元模擬了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法整個(gè)施工過(guò)程，分析了圍巖位移、初期支護(hù)和錨桿受力的動(dòng)態(tài)變化，得出起始導(dǎo)洞和拱部開挖對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定起著更為重要的作用。本文以南京市軌道交通4號(hào)線一期工程花園路站—紫金山北站區(qū)間大斷面隧道工程為背景，采用有限元數(shù)值計(jì)算方法模擬分析雙側(cè)壁導(dǎo)坑法導(dǎo)洞寬度對(duì)安全系數(shù)的影響，為以后類似工程提供參考與借鑒。

1　強(qiáng)度折減法原理

強(qiáng)度折減法就是將圍巖物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)中的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ兩個(gè)參數(shù)同時(shí)除以一個(gè)數(shù)值ω，對(duì)材料的強(qiáng)度進(jìn)行折減，會(huì)有一個(gè)折減系數(shù)恰好能保證計(jì)算收斂，該值就是圍巖的安全系數(shù)。

(1)

(2)

常用的M-C準(zhǔn)則在主應(yīng)力空間中的屈服面為六錐面，不利于數(shù)值計(jì)算，在大多數(shù)的數(shù)值分析中均使用德魯克—普拉格(Dracker-Prager)準(zhǔn)則，簡(jiǎn)稱D-P準(zhǔn)則，即:

(3)

在有限元強(qiáng)度折減計(jì)算分析中，安全系數(shù)定義如下：

(4)

其中,ω1為強(qiáng)度折減系數(shù)。

2　側(cè)導(dǎo)洞寬度對(duì)安全系數(shù)的影響分析

開挖右導(dǎo)洞上部，等效塑性應(yīng)變圖見圖1。

圖1　右上導(dǎo)洞開挖不同寬度導(dǎo)洞下塑性應(yīng)變圖

右上導(dǎo)洞開挖后，導(dǎo)洞寬度對(duì)最后塑性區(qū)范圍、形態(tài)影響不大。在右上導(dǎo)洞下部左右邊角處有較大的塑性應(yīng)變值，在導(dǎo)洞上部尖角處，有較大塑性應(yīng)變值，潛在破壞區(qū)域朝開挖臨空面呈三角形狀，且隨著導(dǎo)洞跨度變大，安全系數(shù)數(shù)值變小。不同開挖跨度開挖塑性應(yīng)變最大值差別較小，先是減小而后又增大。

開挖左導(dǎo)洞上部，等效塑性應(yīng)變圖見圖2。

圖2　左上導(dǎo)洞開挖不同寬度導(dǎo)洞下塑性應(yīng)變圖

第二個(gè)導(dǎo)洞開挖后(左上)，采用四種不同跨度導(dǎo)洞開挖后的圍巖潛在破壞區(qū)域位于中間未開挖部分，破壞形狀呈X型，破壞區(qū)域上下邊界高度隨著側(cè)導(dǎo)洞開挖跨度增加而變小。導(dǎo)洞X型破壞區(qū)域上邊界位于開挖導(dǎo)洞上邊角，隨著導(dǎo)洞跨度的增加，破壞區(qū)域上邊界下移。此外，在開挖導(dǎo)洞兩側(cè)邊角處形成較大的塑性區(qū)，且隨著導(dǎo)洞跨度的增加，塑性區(qū)由小變大，破壞面傾角與水平面夾角隨著側(cè)導(dǎo)洞開挖跨度的增加而變大，兩條交叉的潛在破壞面變得規(guī)則。針對(duì)模擬得到的潛在破壞情況，在施工過(guò)程中采取相應(yīng)的加固安全措施。在開挖邊角處要設(shè)置鎖腳錨桿。針對(duì)較破碎圍巖，中部圍巖可用錨桿進(jìn)行加固。開挖右下部，等效塑性應(yīng)變圖見圖3。

圖3　右下導(dǎo)洞開挖不同寬度導(dǎo)洞下塑性應(yīng)變圖

開挖第三部分后的潛在破壞面如圖3所示。潛在破壞面呈交叉不對(duì)稱X型，且隨著導(dǎo)洞跨度的增加，X交點(diǎn)位置高度降低。中間潛在破壞面左側(cè)的下角點(diǎn)位置保持在左導(dǎo)洞右下邊角處，位置高度不發(fā)生變化；左側(cè)的上角點(diǎn)在開挖跨度較小時(shí)位于左側(cè)上部的頂角處，隨著側(cè)導(dǎo)洞開挖跨度的增加，其位置高度降低，最終和左側(cè)下角點(diǎn)重合；右側(cè)的上下兩個(gè)角點(diǎn)在側(cè)導(dǎo)洞寬度較小時(shí)，分別位于右導(dǎo)洞的上頂角、下底角處，隨著側(cè)導(dǎo)洞開挖跨度的增加，位置高度逐漸向中間移動(dòng)，因此潛在破壞面的高度會(huì)隨著側(cè)導(dǎo)洞開挖跨度的增加而變小，亦即破壞區(qū)變小。此外，左導(dǎo)洞左側(cè)有斜向上的塑性區(qū)，塑性區(qū)范圍大小隨著側(cè)導(dǎo)洞開挖跨度的增加先變大，然后變小，且塑性面有變得更加垂直的趨勢(shì)。

3　結(jié)語(yǔ)

采用數(shù)值模擬對(duì)南京市軌道交通4號(hào)線一期工程花園路站—紫金山北站區(qū)間大斷面隧道工程側(cè)導(dǎo)洞寬度對(duì)安全系數(shù)的影響進(jìn)行了分析，得出了以下結(jié)論：1)隨著開挖的進(jìn)行，隧道的安全系數(shù)逐漸降低。導(dǎo)洞寬度對(duì)安全系數(shù)的影響較大，導(dǎo)洞開挖順序方案1中第二步開挖后(左右兩側(cè)上部導(dǎo)洞)，安全系數(shù)相差最大為17.29%。導(dǎo)洞寬度對(duì)潛在破壞面影響較大，導(dǎo)洞開挖順序方案1中第二步～第四步開挖后的潛在破壞面差別較大。2)采用不同寬度導(dǎo)洞開挖時(shí)，初期支護(hù)的最大彎矩值具有相同的變化趨勢(shì)。前三步開挖后變化不大，第四步(左下導(dǎo)洞)開挖后減小較大，第五步(中上導(dǎo)洞)開挖后又有較大的增加，第六步(中下導(dǎo)洞)開挖后再次減小。第四步(左下導(dǎo)洞)開挖后，初期支護(hù)最大彎矩值在不同寬度導(dǎo)洞開挖下相差很小，以此開挖步為邊界，兩側(cè)有不同的趨勢(shì)。前三步開挖后，側(cè)導(dǎo)洞寬度越大，最大彎矩值越大，第五、六步(中上導(dǎo)洞、中下導(dǎo)洞)開挖后，側(cè)導(dǎo)洞寬度越大，最大彎矩值越小。整個(gè)施工過(guò)程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大彎矩值，在側(cè)導(dǎo)洞寬度占總導(dǎo)洞寬度30%時(shí)最小，側(cè)導(dǎo)洞寬度占總導(dǎo)洞寬度40%時(shí)最大，最大值比最小值大20.93%。

[1]吳銘芳，章慧健，仇文革.大斷面隧道深淺埋劃分方法研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010,47(4):1-5.

[2]王明年，郭軍，羅祿森，等.高速鐵路大斷面黃土隧道深淺埋分界深度研究[J].巖土力學(xué)，2010,31(4):1157-1162.

[3]郭小龍，譚忠盛.大斷面黃土隧道深淺埋分界深度研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2015，48(S1):393-397.

[4]張佩，路德春，杜修力，等.深埋隧道與淺埋隧道劃分方法研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2013，35(S2):422-427.

[5]程小虎.土質(zhì)隧道深淺埋分界的理論解析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012,8(1):37-42.

[6]李奎，李斌，高波.深埋與淺埋隧道分界理論分析方法的研究[J].鐵道建筑，2013(12):27-31.

[7]王明年，關(guān)寶樹.三車道公路隧道在不同構(gòu)造應(yīng)力作用下的力學(xué)行為研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20(1):51-55.

[8]霍衛(wèi)華.軟巖大跨隧道施工力學(xué)研究[J].河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004,26(4):96-100.

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Analysis on the impact of lateral leading-hole width upon large subway cross-section tunnel construction

Bi Zhenshuai1Yu Haiying1Zhao Pengchong1Lu Wei2

(1.PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China;2.PLA73071Team,Xuzhou221400,China)

Taking Nanjing rail transit underground engineering as the background, the paper launches numerical simulation research for large-span shallow tunnel construction process by applying finite element software, analyzes the impact of lateral leading-hole width upon large cross-section tunnel construction safety coefficient, and finally obtains some meaningful conclusions.

large cross-section tunnel, lateral leading-hole width, safety coefficient, strength-reduction method

1009-6825(2016)21-0163-02

2016-05-11

畢振帥(1979- )，男，在讀碩士

U459.2

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