隧道开挖步距对地层位移影响研究

隧道开挖步距对地层位移影响研究

摘要:以深圳地铁暗挖隧道施工资料为基础,利用三维模拟程序对暗挖隧道施工过程及支护结构进行了模拟分析。对于喷射混凝土和格栅钢架组成的隧道初支系统,考虑了喷射混凝土的时间效应及格栅钢架与喷射混凝土的不同刚度。在模拟过程中,研究了不同开挖步距对地层位移的影响规律。从分析结果可以得出,隧道拱顶沉降和地表沉降随着开挖步距增加而增大,其沉降与开挖步距近似服从二次多项式的函数关系。关键词:数值模拟;开挖步距;沉降

1概述

在浅埋暗挖隧道施工过程中,工作面的开挖步距往往是依据工程类比法等经验方法选取的[1],虽然工程类比法有一定的合理性,但是由于缺乏对实际地层条件的把握,无法对开挖步距做出及时准确的选择和调整。开挖步距过小,使施工中的开挖与支护工序转换频繁,不利于快速施工,而且要使用很多的钢拱架,造成材料的浪费;开挖步距过大,空顶时间较长,又容易造成很大的围岩变形,不利于工作面的稳定,对周围环

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境造成不良影响。因此,如何选取合理的开挖步距,既能满足快速施工的要求,又不会对周围环境造成太大的影响,是一个值得探讨的问题。

本文试图通过数值模拟的方法,对深圳地铁软弱地层暗挖隧道的开挖步距进行科学的研究,从而为合理开挖步距的选择提供科学的依据。

2数值模拟概况

2.1计算软件简介

数值模拟软件采用国际上著名的岩土工程计算软件FLAC-3D,与其他的有限元计算软件相比,该软件具有以下优点:(1)采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程,并应用混合单元离散模型,可以准确地模拟材料的屈服塑性流动、软化直至大变形,尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。(2)计算过程中不必形成与有限元程序那样的整体刚度矩阵,每一步计算所需要的计算机内存很小,基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题,并且解决问题的速度大大提高。

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2.2计算模型

(1)本构模型的选取

本文数值计算选用Mohr-Coulomb模型。Mohr-Coulomb弹塑性模型作为一种传统的弹塑性力学本构模型得到了工程界的广泛应用,该破坏准则与岩石材料实验结果非常接近,其反映的岩土材料破坏特征与材料的实际破坏情况符合。Mohr-Coulomb屈服准则即:(2)地质条件

本文以深圳地铁世界之窗站至白石洲站浅埋暗挖地铁隧道地质条件为基础,围岩力学参数见表1。(3)地应力条件

建立原始地层模型,四周施加水平位移边界约束条件,顶部为自由边界,底部为固定垂直边界。在重力条件下计算至初始平衡,模拟原始地层应力。

(4)模型的建立

地铁隧道为马蹄形,净宽5.1m,净高5.4m,初支为格栅钢架和C20喷射混凝土,厚0.3m,钢架间距为0.8m。二衬为C30钢筋混凝土,厚0.3m。取水平方向为X,垂直方向为Y,隧道轴

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线方向为Z。考虑隧道开挖的影响范围及开挖隧道的对称性,计算范围为开挖隧道的一半作为计算对象,取X×Y×Z=25m×20m×30m。在上述区域内划分三维有限差分网格。整个模型划分为49830节点,44250个单元。模型的三维尺寸、网格划分和边界条件如图1所示。(5)初期支护模拟

在许多隧道数值模拟中[2,3,4],初支系统一般模拟为C20混凝土,其弹性模量、泊松比等参数采用普通混凝土的力学参数。但是,喷射混凝土与一般混凝土相比,有着不同的力学特性。一般喷射混凝土的弹性模量比普通混凝土低,塑性较好[5,6,7]。而采用28d龄期的混凝土强度不符合混凝土强度的时间效应。在工作面开挖的初期阶段,喷射混凝土不能及时提供支护力。只有在施工一段时间后,随着时间的推移,推进距离的增加,喷射混凝土逐渐硬化,才对围岩开始提供支护力。

本文主要研究不同开挖步距对隧道稳定性的影响。地铁隧道的施工速度按每天一个循环,即每天开挖、支护0.4、0.6、0.8、1.0、1.2m。本文考虑了喷射混凝土的时间效应,将不同龄期喷射混凝土的强度按照实际的施工过程进行模拟,对喷射混凝土采用Mohr-Coulomb模型。参数见表2。对钢架部位

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的模拟适当地考虑了拱架的大刚度特性。即对拱架部位的喷射混凝土和钢材按照钢筋混凝土的配筋率进行体积模量和剪切模量的折算。在对钢架部位模拟时,不考虑钢架部位的破坏,采用弹性模型进行模拟。

2.3施工过程模拟

第一步,先将隧道开挖成台阶状,施加初始支护后,计算至平衡,作为开挖的初始状态。第二步,按照实际的施工过程,进行隧道上下台阶的开挖。第三步,及时地对开挖的隧道进行支护,喷射混凝土按照实际的施工时间模拟龄期强度。并计算至平衡。然后进行下一个开挖步骤。

3模拟结果及分析

3.1步距0.8m地表及拱顶沉降规律

图2为隧道掘进过程中地表沉降规律曲线,图3为拱顶沉降规律曲线。由图2可以看出,隧道的开挖对地表沉降影响较大的范围为工作面前方和工作面后方各1.5倍洞径,变形稳定后地表沉降为76.05mm。由图3可知,拱顶沉降速率较大的范围为工作面前方0.5倍洞径至后方0.5倍洞径,变形稳定后拱

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顶沉降为122.7mm,在格栅钢架成环闭合以后,以及随着喷射混凝土强度的提高,初支系统提供了足够的支护抗力,隧道围岩变形趋于稳定。3.2步距0.8m隧道横断面地表位移规律

图4为隧道围岩变形稳定后的横断面地表位移曲线。由图中可以看出,隧道开挖时的地表形成一个沉降槽,沉降槽的中心位于隧道的轴线位臵。地表最大水平位移出现在距离隧道轴线1倍洞径的位臵,为24.67mm。3.3不同步距对拱顶及地表沉降影响规律

图5为隧道不同开挖步距对最终地表沉降的影响规律曲线。从图中可以看出,随着开挖步距的增加,地表沉降逐渐增大。对该曲线采用非线性回归可得:

ys=-32.339x2-5.3921x-51.256(3)式中:ys为变形稳定后的地表沉降值(mm);x为开挖步距(m);相关性系数R=0.9998。

图6为隧道不同开挖步距对最终拱顶沉降的影响规律曲线。随着开挖步距的增加,拱顶沉降也在增加。尤其是当开挖步距超过0.6m后,拱顶沉降急剧增加。对该曲线采用非线性回归可得:

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yvs=-172.21x2+132.2x-118.5(4)式中:yvs为变形稳定后的拱顶沉降值(mm);x为隧道开采步距(m);相关性系数R=0.9994。

图7为不同开挖步距对隧道横断面地表最大水平位移的影响规律曲线。由图可知,地表的水平位移随着开挖步距的增加而增大。对该曲线采用非线性回归可得:

yd=10.857x2+0.4686x+17.386(5)式中:yd为变形稳定后的地表最大水平位移值(mm);x为开采步距(m);相关性系数R=0.9998。

由以上曲线分析可得,该区间选用每0.6m设一榀钢架是较为合适的。这样就能够在保证工作面土体稳定的情况下,满足快速施工的要求。

分析开挖步距影响地层位移的原因可知:(1)开挖步距增加,空顶距和空顶时间增大,拱顶不能得到及时的支护,使得拱顶沉降增加,从而导致地表沉降增大。(2)开挖步距的增加使格栅钢架距离增加,钢架距离的增加使得隧道初支衬砌刚度急剧减小,导致抵抗围岩变形的能力降低,使围岩变形增大,

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拱顶和地表沉降增大。

4结论

(1)由以上分析可知,由于时间效应,喷射混凝土并不能及时对围岩提供支护抗力。开挖初期的围岩应力主要是作用在格栅钢架上,由大刚度的钢架来阻止围岩的变形。地表沉降规律与现场的实测数据基本相符。地表沉降在工作面前后各1.5倍洞径范围内变化较快,超过该影响范围后,地表沉降变化趋于稳定。拱顶沉降在工作面的位臵沉降速度很大,在下导坑开挖完毕,钢拱架成环以后,拱顶沉降逐渐稳定,不再发展。因此,保证暗挖隧道的正常循环作业,及时地对格栅钢架成环,对隧道围岩的稳定性有着极其重要的意义。

(2)隧道的开挖步距对拱顶及其地表的变形有着较大的影响,随着开挖步距的增大,拱顶和地表的变形增大速度很快。其空顶距、空顶时间和衬砌刚度的降低是导致变形增加的主要因素。

(3)由于本文的数值模拟采用的地质条件来源于深圳地铁的一个区间,以上得出的拟合公式只适用于该地质条件。不同的地质条件,地层的位移特性与开挖步距具有不同的函数

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关系。

(4)采用数值模拟的方法对地下工程的施工进行科学的研究,可以得出相关的规律,来指导实践,从而可以避免施工过程的盲目性。

参考文献:

[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥:安徽教育出版社,2004.

[2]李振东,李辉,王健.地铁隧道支护系统的数值模拟研究[J].地下空间,2004,24(1):19-23.

[3]刘和清.地铁暗挖隧道初期支护结构作用机理的数值解析[J].铁道勘察,2004,(5):9-11.

[4]李宏建,赵玉成,王景春.北京地铁暗挖区间隧道施工过程数值模拟[J].建井技术,2005,26(4):37-40.

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[5]姚嵘,张玉波,温运峰.高强增塑喷射混凝土的试验研究[J].煤炭科学技术,2002,30(8):42-43.

[6]刘啟琛.锚喷支护整治隧道裂损衬砌[M].北京:中国铁道出版社,1986:66-70.

[7]程良奎,杨志银.喷射混凝土与土钉墙[M].北京:中国建筑工业出版社,1998:35-57.

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