綜合管廊暗挖施工對地鐵隧道影響的數(shù)值分析

郭小偉 吳瑞絢

【摘 要】隨著我國交通建設(shè)的發(fā)展逐漸加快，地鐵交通建設(shè)也越發(fā)繁榮，且為我國地鐵隧道的施工發(fā)展做出了較大貢獻。論文將綜合管廊暗挖施工對地鐵隧道影響的數(shù)值分析作為研究對象，通過對工程概況的簡單闡述，分別從建立有限元模型模擬以及模型試驗數(shù)值分析對綜合管廊暗挖施工對地鐵隧道的影響進行詳細研究與分析。

【Abstract】With the gradually rapid development of traffic construction in our country， the subway traffic construction is also becoming more and more prosperous， and it has made great contribution to the development of construction of subway tunnel in our country. The paper takes the numerical analysis of the influence of underground excavation construction of comprehensive pipe gallery on the subway tunnel as the research object. Based on the brief introduction of the project， the influence of underground excavation construction of comprehensive pipe gallery on subway tunnel is studied and analyzed in detail from the establishment of finite element mode simulation and numerical analysis of mode test.

【關(guān)鍵詞】綜合管廊暗挖施工；地鐵隧道；數(shù)值分析

【Keywords】 underground excavation construction of comprehensive pipe gallery； subway tunnel； numerical analysis

【中圖分類號】U231+.3 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）06-0145-02

1 引言

綜合管廊暗挖施工即是一種在距離地表較近的地下進行地下洞室暗挖的施工方法，該種施工技術(shù)具有埋深較淺、靈活多變且對地下管線影響較小的優(yōu)勢，經(jīng)常被應(yīng)用于地鐵管道的改造挖掘施工中。由于該種施工方式具有適應(yīng)地層巖性差且挖掘周圍的土質(zhì)環(huán)境復(fù)雜等特點，因此在實際的挖掘過程中應(yīng)對施工環(huán)境進行細致的勘測，并進行嚴謹施工。由于本文案例是對某已建地鐵線路進行改造，故使用綜合管廊暗挖施工進行具體施工研究。在研究過程中，依照施工過程的模型演示，對該種施工方式將會對地鐵隧道產(chǎn)生的影響進行探討與闡述。

2 工程概況

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越加完善，作為基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，綜合管廊承擔(dān)著城市大量的運作壓力，對我國城市的正常運行具有重要影響。因此，應(yīng)對綜合管廊進行及時、科學(xué)的維護與改造，為我國城市的可持續(xù)發(fā)展提供更大的作用。本文以K市的某一綜合管廊為研究案例，該綜合管廊中包含著燃氣、電力、電信等多種管道設(shè)施，這些管道設(shè)施在綜合管廊隧道中呈現(xiàn)著交叉、混亂，甚至重復(fù)建設(shè)的問題[1]。本次試驗主要以這一綜合管廊與K市4號地鐵線路的交叉點施工為具體案例，利用先進的有限元模型模擬軟件設(shè)備進行具體綜合管廊暗挖施工的過程模擬，通過該軟件對綜合管廊暗挖施工模擬情況進行具體研究，并為實際的K市綜合管廊暗挖工程施工提供積極的輔助作用。

3 綜合管廊暗挖施工對地鐵隧道影響的數(shù)值分析

3.1 工程信息

該工程為擬建綜合管廊，該綜合管廊穿過地鐵4號線路。地鐵4號線路隧道距離地面13.8m，該數(shù)值表示地鐵隧道中心線距地表的距離。地鐵兩個平行隧道之間的距離為13m，地鐵隧道拱頂距離地表的距離為10.1m，該地鐵隧道在施工過程中采用盾構(gòu)的施工方法，其盾構(gòu)管片厚度為600mm，地鐵的隧道內(nèi)徑數(shù)值為5000mm，該隧道的掘進方向是垂直于隧道的方向。在工程的施工中確定綜合管廊的橫截面尺寸為13.6m × 3.9m，同時該綜合管廊的結(jié)構(gòu)凈高測量為2.8m，頂板與底板的厚度為300mm，而管廊外側(cè)墻的厚度也為300mm，管廊底板方面經(jīng)過測量其距離地面距離為8m，高程為10.080m，綜合管廊的結(jié)構(gòu)凈高為4.1m。在管廊與地鐵隧道的穿越范圍內(nèi)區(qū)間隧道拱頂高程11.130～11.150m，管廊與隧道的施工材料均為C50的混凝土，其密度為2500kg/m3[2]。

3.2 建立有限元模型模擬

本次的試驗以K市某一綜合管廊與K市4號地鐵線路的交叉點作為具體的施工地點，利用先進的有限元模型模擬軟件設(shè)備進行具體綜合管廊暗挖施工的過程模擬，通過該軟件對綜合管廊暗挖施工模擬情況進行具體研究。在使用有限元模型模擬軟件進行建模的過程中應(yīng)對以下四點著重注意：第一點即是應(yīng)選擇60m×60m×20m的土體作為具體的建模對象，該種土體的選擇將會在一定程度上降低施工邊界對施工結(jié)果的影響。第二點即是在對地鐵隧道與土體的接觸方面使用罰函數(shù)的具體算法進行模擬，在切向行為的方面選擇摩擦系數(shù)為0.3，并將法向行為設(shè)置為硬接觸。第三點即是在對綜合管廊暗挖施工進行模擬之前，應(yīng)采用地應(yīng)力平衡的導(dǎo)入方式對土體模型進行導(dǎo)入。第四點即是在進行綜合管廊暗挖施工的模擬過程中，采用“生死”的單元方法進行具體的管廊挖掘模擬[3]。

3.3 模型土層參數(shù)取值

本文依據(jù)具體的施工地點進行施工工程的地質(zhì)勘察，將該土層參數(shù)取值導(dǎo)入有限元模型模擬之中，提升該模擬的準確性與真實性。經(jīng)過勘探檢測得出整個施工區(qū)域的土層結(jié)構(gòu)主要包括人工粉土填土、細砂、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)細砂4個主要土層，其中土層參數(shù)取值如表1所示。

4 數(shù)值結(jié)果分析

4.1 初始地應(yīng)力場和隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布分析

經(jīng)過有限元模型模擬的試驗建立，對其模擬過程以及模擬結(jié)果進行分析，得出的結(jié)果：

一方面，在綜合管廊暗挖施工過程中，由于地鐵隧道的上覆土體的移除，其初始地的應(yīng)力場得到釋放，導(dǎo)致地鐵隧道的中段位置受到不平衡的土體壓力作用，導(dǎo)致地鐵隧道出現(xiàn)豎向位移的問題。

第二方面，隨著綜合管廊暗挖施工的推進，導(dǎo)致土體中的應(yīng)力出現(xiàn)不斷釋放的現(xiàn)象，進而導(dǎo)致第一方面的豎向位移問題逐漸加重[4]。

4.2 工程實施結(jié)論

在對上述初始地應(yīng)力場和隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布進行詳細分析與闡釋后得出本文的工程實施結(jié)論：在進行綜合管廊暗挖施工模擬后，由于綜合管廊是在地鐵隧道的正上方穿過，導(dǎo)致施工地點處于地鐵隧道的正上方，而這一位置的施工件將會導(dǎo)致土拱效應(yīng)被人為破壞，施工地點的上覆土體自重被全部施加在綜合管廊的頂部，導(dǎo)致綜合管廊出現(xiàn)壓力增大，同時土體壓力增加，綜合管廊與兩條隧道相交地點的正上方土體也將出現(xiàn)極大程度的變形，最終導(dǎo)致綜合管廊的頂板位置變形。

5 結(jié)論

本文通過對工程概況的簡單闡述，進而分別從建立有限元模型模擬、計算模型物理學(xué)參數(shù)取值兩方面對綜合管廊暗挖施工對地鐵隧道影響的數(shù)值分析進行詳細的研究與探討，并分別從初始地應(yīng)力場和隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布、工程實施過程中對地鐵隧道周圍土體的影響兩方面對數(shù)值結(jié)果進行詳細探討與分析。

【參考文獻】

【1】金平，王濤，嚴德添.地鐵換乘通道暗挖段施工對既有盾構(gòu)隧道的影響研究[J].西部探礦工程，2018，19（01）：168-172.

【2】張利健.地鐵區(qū)間淺埋暗挖隧道施工對建筑安全影響的數(shù)值分析[J].菏澤學(xué)院學(xué)報，2017，39（05）：123-124.

【3】施有志，孫愛琴，林樹枝，等.地下綜合管廊土-結(jié)構(gòu)接觸面參數(shù)對地震動力響應(yīng)的影響數(shù)值分析[J].地震工程學(xué)報，2017，23（05）：

811-819.

【4】李云剛.軟巖大斷面淺埋暗挖隧道施工工法比選數(shù)值分析[J].水利與建筑工程學(xué)報，2017，15（01）：157-160.