單跨一次扣拱暗挖技術(shù)數(shù)值模擬研究

韓　碩，宋月楊,孫明志

(1.遼寧工業(yè)大學 土木建筑工程學院，遼寧 錦州　121001；2.遼寧省錦州市市政工程總公司，遼寧 錦州　121000；3.吉林大學 交通學院，吉林 長春　130022)

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單跨一次扣拱暗挖技術(shù)數(shù)值模擬研究

韓碩1，宋月楊2,孫明志3

(1.遼寧工業(yè)大學 土木建筑工程學院，遼寧 錦州121001；2.遼寧省錦州市市政工程總公司，遼寧 錦州121000；3.吉林大學 交通學院，吉林 長春130022)

摘要：文章針對長春地鐵解放大路站單跨一次扣拱暗挖風道工程，運用數(shù)值模擬方法，采用有限差分軟件FLAC 3D，分析研究單跨一次扣拱暗挖逆作風道對工程的適用性，并對導洞開挖順序進行優(yōu)化分析，從而提出最優(yōu)施工方案，指導實際工程施工。結(jié)果證明，該研究具有一定的實際意義，可為同類工程提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：一次扣拱;暗挖逆作;地鐵風道;FLAC 3D軟件

0引言

一次扣拱暗挖逆作法最先在北京地鐵黃莊站修建時提出，這是一種新的修建大型地下建筑工程的暗挖工法，克服了傳統(tǒng)CRD和PBA兩類暗挖法存在的若干問題，可以一次形成完整的穩(wěn)定受力結(jié)構(gòu)，減少施工工序和結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換次數(shù)，增強結(jié)構(gòu)施工期間的穩(wěn)定性，確保結(jié)構(gòu)安全[1-4]。

目前，國內(nèi)已有多座地鐵車站的主體工程運用本工法修建，證明此工法的可靠性。但是，對于單跨一次扣拱法修建地鐵風道的實際案例及相應研究都相對較少，本文針對具體工程實例，通過數(shù)值模擬方法，采用大型有限差分軟件FLAC 3D研究單跨一次扣拱暗挖逆作法對本工程的適用性，并對不同的施工方案進行優(yōu)化分析[5-8]。

1工程概況

長春地鐵解放大路站位于人民大街與解放大路交匯處，是地鐵1號線和2號線換乘車站，區(qū)間配有聯(lián)絡線和單渡線。1號線車站主體為島式站臺，標準雙層三跨拱頂直墻結(jié)構(gòu)，采用一次扣拱暗挖逆作法施工，暗挖車站主體總長為235.6 m，覆土為8.8～9.8 m。2號線車站主體為側(cè)式站臺，標準雙層雙跨拱頂直墻結(jié)構(gòu)，采用6導洞PBA工法施工，暗挖車站主體長為206.7 m，覆土為7.5～9.5 m。

本工程范圍內(nèi)地層由第四系全新統(tǒng)人工填土層、第四系中更新統(tǒng)沖洪積粘性土和砂土、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，無穩(wěn)定地下水位。

解放大路站1號風道原設(shè)計采用單跨一次扣拱暗挖逆作法施工，上下導洞均采用雙側(cè)壁導洞法，洞室開挖前施作超前管棚及小導管注漿加固地層，導洞開挖完成后一次性施做邊樁頂拱，較早地形成完整穩(wěn)定的受力結(jié)構(gòu)，風道高度為20.8 m，最寬處為15.3 m。具體開挖工序如圖1所示。

圖1　單跨一次扣拱暗挖風道施工步驟

2數(shù)值模擬方案

數(shù)值模擬采用FLAC 3D有限差分軟件，該程序自美國ITASCA公司推出后，已成為目前巖土力學計算中的重要數(shù)值方法之一[9]。

本工程地層材料采用摩爾-庫倫模型，根據(jù)工程實際地質(zhì)情況，簡化為3個土層。初支及二襯均采用實體單元模擬，地層和材料的應力、應變均在彈塑性范圍內(nèi)變化，各材料的力學參數(shù)根據(jù)土工試驗結(jié)果、現(xiàn)場原位實驗數(shù)據(jù)及當?shù)亟?jīng)驗綜合確定，選取情況見表1所列。將材料取為彈性材料，運行平衡后將材料改成摩爾-庫倫材料計算初始應力，開挖過程中不考慮地下水的影響。小導管注漿及管棚等超前支護簡化為2 m厚的注漿加固層,考慮到邊界效應，模型取寬為60 m，高為50 m，縱向取單位長度。施工過程根據(jù)工程實際分8個步驟模擬。模型如圖2所示。

表1　模型物理力學參數(shù)

圖2單跨一次扣拱暗挖風道模型圖

3結(jié)果分析

3.1施工過程模擬分析

洞室開挖對周邊圍巖產(chǎn)生擾動，造成應力釋放，土體變形將引起地表沉降，由于地表沉降便于監(jiān)測，所以為分析與動態(tài)監(jiān)測開挖洞室穩(wěn)定性的重要數(shù)據(jù)[10]。

本工程單跨一次扣拱暗挖逆作風道的數(shù)值模擬，根據(jù)具體施工方案分8個步驟模擬開挖過程，圖3所示為施工完成后最終沉降云圖。

地表監(jiān)測點沿著中軸線對稱布置9個，每個間隔5 m，即最遠監(jiān)測點1、9距離中心監(jiān)測點5有20 m。圖4所示為各施工步驟下地表沉降變化曲線；圖5所示為各地表監(jiān)測點沉降歷時曲線。

圖3　施工完成最終沉降云圖

圖4　各施工步驟地表沉降曲線

圖5　各監(jiān)測點沉降歷時曲線

由于本工程是對稱開挖，由圖4所示沉降曲線沿地表中線向兩邊成凹槽型分布。導洞開挖過程產(chǎn)生的地表沉降占總沉降的70.4%，拆初支施作二襯及其他工序占總沉降的29.6%，可見導洞開挖方法和順序的選擇對地表總沉降的控制有重要影響。地表最大沉降值為28.1 mm，滿足控制要求。

3.2導洞開挖順序優(yōu)化分析

本工程采用的單跨一次扣拱暗挖逆作法有上下2層導洞，因為導洞開挖對地表沉降有重要影響，所以本文通過數(shù)值模擬法，研究最優(yōu)化的導洞開挖順序，將導洞開挖順序分為“先上后下”與“先下后上”2種方案，其他條件固定，2種工況上下洞室均采用雙側(cè)壁導洞法，主體暗挖逆作施工。圖6所示為2種不同工況下地表沉降曲線。

比較2種導洞開挖順序在導洞完成后和二襯完成后的沉降曲線，“先下后上”工法優(yōu)于“先上后下”工法，但兩者差距在5%以內(nèi)。

對比2種方案，其塑性區(qū)云圖如圖7所示。

圖6　不同開挖順序地表沉降曲線

圖7　2種方案施工完成塑性區(qū)對比

比較2種工序塑性區(qū)分布，可看出先開挖上部導洞，再開挖下部導洞，會加大上側(cè)導洞周圍塑性區(qū)的分布范圍，而先開挖下部導洞，待開挖下部導洞對上側(cè)覆土的擾動基本穩(wěn)定后，再開挖上部導洞有利于控制塑性區(qū)的分布。從施工完成后的塑性區(qū)分布上，“先下后上”工序也明顯優(yōu)于“先上后下”工序。因此，解放大路站1號風道施工應優(yōu)先選擇“先下后上”的導洞開挖順序。

4結(jié)束語

本文通過數(shù)值模擬法分析了單跨一次扣拱暗挖逆作法對長春地鐵解放大路站的適用性，結(jié)果表明，此工法施工完成后，地表最大沉降為28.1 mm，說明此工法在長春的地質(zhì)條件下施工，可以較好地控制地表沉降。

本文通過對單跨一次暗挖逆作法導洞開挖順序進行優(yōu)化分析，綜合各種因素認為應優(yōu)先選擇“先下后上”的導洞開挖順序。

〔參考文獻〕

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[10]洛建軍，張頂立，王夢恕,等.淺埋暗挖車站施工地表沉降實測分析[J].鐵道建筑技術(shù)，2006(5)：1-4.

收稿日期：2016-03-14；修改日期：2016-03-18

作者簡介：韓碩(1988-)，女，遼寧北票人，碩士，遼寧工業(yè)大學助教．

中圖分類號：U231.3

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0257-03