重慶輕軌大坪車站隧道暗挖段施工
方法數(shù)值優(yōu)化分析
【摘 要】 用有限元數(shù)值分析方法計(jì)算分析了超淺埋大斷面暗挖段車站隧道的各種施工方法下的力學(xué)行為，根據(jù)計(jì)算力新選擇了合理的施工方法，施工實(shí)踐證明根據(jù)這種分析選擇的施工方法是可行并可靠的。
【關(guān)鍵詞】大斷面隧道 施工方法 有限元 優(yōu)化分析
1工程概況
重慶輕軌大坪車站隧道暗挖段，其起訖里程為DK7+658．20-DK7+739．50，全長(zhǎng)為81．3m，設(shè)計(jì)縱坡為3‰。其中DK7+658．20-DK7+701．00段洞頂巖(土)體厚4-10m，為Ⅳ級(jí)圍巖，成洞條件很差，為超淺埋地段；DK7+701．00～DK7+735．00段洞頂巖(土)體厚10～15m，Ⅳ級(jí)圍巖，成洞條件差，屬淺埋地段；DK7+735．00~DK7+739．50段頂巖(土)體厚15-25m，巖層節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體完整性較好，為Ⅲ級(jí)圍巖，為淺埋地段。襯砌斷面均采用大拱腳薄邊墻隧道結(jié)構(gòu)，邊墻底部開挖寬為21．88m，隧道開挖高為17．86m，開挖面積達(dá)最大為430平方米，拱墻采用C30鋼筋混凝土；水溝、鋪底均采用C20混凝土；防水層采用1．5mm厚EVA高強(qiáng)度型合成樹脂防水卷材；環(huán)向施工縫采用BW-96型膨脹止水條，襯砌背后設(shè)地下排水軟式透水管盲溝，環(huán)向盲溝采用中50mm、間距8m，縱句采用中80mm，左右各設(shè)—根；襯砌初期支護(hù)：工字鋼拱采用20b工字鋼，間距為0．5m，系統(tǒng)錨桿采用φ25中空注漿錨桿，每根長(zhǎng)3．5m，Ⅲ類圍巖I砸為@1．0mxl．0m，按梅花型布置；鋼筋網(wǎng)采用環(huán)向x縱向?yàn)?6．5x+8鋼筋，間距為@20cmx20cm，噴射混凝土采用C20混凝土。
由此可見，大坪車站隧道暗挖段屬于超淺埋暗挖大斷面隧道，為了確定合理的施工方法，在經(jīng)驗(yàn)類比的基礎(chǔ)上確定采用分步暗挖的施工方法，為了m--步確定各分步的先后順序，特別是拱部開挖的順序，以及是否用管棚進(jìn)行拱部的支護(hù)，用有限元力、法進(jìn)行了計(jì)算分析，得出了相對(duì)優(yōu)化的施工方法。
2 數(shù)值優(yōu)化分析
2.1計(jì)算工況
有限元計(jì)算分成4種工況，4種工況的主要施工順序及步驟見圖1。工況的不同只是拱部各部分的施工順序和步驟不同，以及是否采用管棚。下面簡(jiǎn)述各工況的施工順序。工況1：在拱部施工支護(hù)只施作噴混凝土，而不施作錨桿和管棚(只噴不錨)。計(jì)算時(shí)模擬步驟為
(1)左右導(dǎo)洞1、1’開挖，同時(shí)施作左右導(dǎo)洞1、1’拱部噴混凝土及中隔壁型鋼鋼架噴射混凝土；
(2)中隔壁3開挖，中隔壁拱頂噴混凝土；
(3)拱部混凝土5澆注；
(4)下半斷面中槽6開挖；
圖1 車站隧道雙側(cè)壁導(dǎo)洞法施工程序圖
(5)下半斷面左右側(cè)上臺(tái)階7、7’開挖，同時(shí)做8、8’噴／昆凝土支護(hù)；
(6)下半斷面左右側(cè)上臺(tái)階9、9’開挖，同時(shí)做10、10’嘯，8凝土支護(hù)；
(7)澆注左右側(cè)邊墻11、11’混凝土。
工況2：在拱部施工支護(hù)施作噴混凝土和錨桿，而不沲作管棚(普通噴錨、無(wú)管棚)：計(jì)算時(shí)模擬
步驟為：
(1)施作左右導(dǎo)洞1、1’拱部噴混凝土、錨桿，左右導(dǎo)洞1、1’開挖，同時(shí)施作中隔壁型鋼鋼架噴射混凝土；
(2)中隔壁3開挖，中隔壁拱頂噴混凝土和錨桿；
(3)拱部混凝土5澆注；
(4)下半斷面中槽6開挖；
(5)下半斷面左右側(cè)上臺(tái)階7、7’開挖，同時(shí)做8、8’噴混凝土支護(hù)；
(6)下半斷面左右側(cè)上臺(tái)階9、9’開挖，同時(shí)做10、10’噴混凝土支護(hù)；
(7)澆注左右側(cè)邊墻11、11’混凝土。
工況3：在拱部施工支護(hù)施作噴混凝土和錨桿，并施作管棚(噴錨+管棚)：計(jì)算時(shí)模擬步驟為；
(1)左右導(dǎo)洞1、1’開挖，同時(shí)施作左右導(dǎo)洞拱部噴混凝土、錨桿和管棚及中隔壁型鋼架噴射混凝土；
(2)中隔壁3開挖，中隔壁拱頂噴混凝土、錨桿和管棚；
(3)拱部混凝土5澆注；
(4)下半斷面中槽6開挖；
(5)下半斷面左右側(cè)上臺(tái)階7、7’開挖，同時(shí)做8、8’噴混凝土支護(hù)；
(6)下半斷面左右側(cè)上臺(tái)階9、9’開挖，同時(shí)做10、10’噴混昆凝土支護(hù)；
(7)澆注左右側(cè)邊墻11、11’混凝土。
工況4：在拱部施工支護(hù)惋作噴混凝土和錨桿，并施作管棚(噴錨+管棚)。但開挖順序與工況3不同，計(jì)算時(shí)模擬步驟為：
(1)中隔壁3開挖，中隔壁拱頂噴混凝土、錨桿和管棚；
(2)左右導(dǎo)洞1、1’開挖，同時(shí)施作左右導(dǎo)洞拱部噴混凝土、錨桿和管棚及中隔壁型鋼鋼架噴射混凝土；
(3)拱部混凝土5澆注；
(4)下半斷面中槽6開挖；
(5)下半斷面左右側(cè)上臺(tái)階7、7’開挖，同時(shí)做8、8’噴混凝土支護(hù)；
(6)下半斷面左右側(cè)上臺(tái)階9、9’開挖，同時(shí)做10、10’噴混凝土支護(hù)；
(7)澆注左右側(cè)邊墻11、11’混凝土。
2．2計(jì)算參數(shù)
4種工況計(jì)算均采用彈塑性平面應(yīng)變模型進(jìn)行計(jì)算分析，圍巖、錨固范圍、管棚用平面4邊形單元彈塑性材料模擬，采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則；混凝土襯砌、噴混凝土、中隔壁型鋼噴混凝土采用梁?jiǎn)卧獜椥圆牧夏M。圍巖采用Ⅳ級(jí)圍巖的參數(shù)，管棚、錨桿均根據(jù)其作用的等效原則來(lái)考慮，即提高圍巖的粘聚力和摩擦角來(lái)替代錨桿的作用，襯砌采用C30涸疑土的材料參數(shù)，噴混凝土采用C20噴混凝土的材料參數(shù)。具體計(jì)算參數(shù)見表1。
2.3計(jì)算模型
在計(jì)算分析中，采用一個(gè)共同的模型進(jìn)行分析，不同工況在求解過程中用不同的開挖命令流來(lái)控制。
計(jì)算范圍橫向取開挖寬度的5倍。計(jì)算邊界條件左右兩個(gè)側(cè)面限制水平方向位移(等于0)，界限制Y方向的位移(等于0)。見圖2。計(jì)算模型及有限元網(wǎng)格劃分見圖3。
圖2計(jì)算模型與邊界條件 圖3計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分
3計(jì)算結(jié)果與分析
對(duì)工況1-工況4進(jìn)行計(jì)算，各種工況開挖完成后的地表位移和拱頂下沉計(jì)算結(jié)果見表2。
從計(jì)算結(jié)果表明：工況1計(jì)算不收斂，說(shuō)明若只噴不錨，開挖后，圍巖不能穩(wěn)定，所以這種施工方法最好不要選擇。工況2地表沉降明顯比工況3和工況4大，且超過了地表沉降的最大限值(3cm)，雖然能夠穩(wěn)定，但這種地表位移和拱頂下沉計(jì)算結(jié)果方法也應(yīng)慎重選擇。工況3和工況4能夠穩(wěn)定，地表沉降都較小，且小于地表沉降的最大限值(3cm)，但工況3與工況4比較，工況4的最大地表沉降要大于工況3，因此，采用工況3的這種施工方法，即在拱部施工支護(hù)施作噴混凝土和錨桿，并施作管棚(噴錨+管棚)，且先開挖兩側(cè)導(dǎo)坑，這種施工方法更為合理。
為了了解各步開挖的力學(xué)行為，限于篇幅僅給出工況3每—步開挖的位移矢量和塑性區(qū)。見圖4-圖8。
4 結(jié) 論
(1)計(jì)算分析結(jié)果表明，采用與計(jì)算工況3相同的施工方法，對(duì)于控制地表沉降和拱頂下沉是有效的；
(2)采用管棚施工支護(hù)的措施可以有效地控制減少地表沉降和拱頂下沉；
(3)拱部開挖應(yīng)采取先開挖兩側(cè)，再開挖中部較為合理。
