地鐵隧道支護系統的數值模擬研究

摘　要:對CRD 工法和短臺階施工法這兩種較為常用的施工形式及其所采用的支護方式用FLAC 進行了數值模擬,分析不同的支護參數對隧道周邊應力場和位移場的影響,得出了有關塑性區分布與支護方式之間的關系,并對各類支護方式進行了比較與分析。
關鍵詞: 地鐵隧道; FLAC ; 數值模擬

1 　引言
廣州地鐵地處珠江三角洲地區,隧道所在地層軟硬程度不一,其物理力學性能參數比較離散,而且地下水豐富。地層上部為第四系海陸交替相沉積及河流沖積等土層包括松散的人工填土層、淤泥以及淤泥質土層和沖～ 洪積土層。下賦巖層卻為強度和硬度都較大的花崗巖,包括全風化帶、強風化帶以及中風化和微風化帶,特點就是巖質堅硬。
總之,地鐵三號線沿線各段的地質條件差別較大,有的地段處于軟土地層中,而有的地段處于半土半巖的地層中,且巖石的強度還很大。在這樣的地層中進行隧道的施工是比較困難的,尤其是其支護的形式要不斷地根據周圍的圍巖狀況進行調整。具體施工時雖然強化了監控量測的作用,以測量的結果隨時修正各類參數,但基本上還是沿襲了初步設計里面的相關內容,并沒有從實質上真正根據量測的數據來采取相應合理的支護形式,也就是說整個區間隧道基本上就采用了一種或兩種支護方案, 這顯然不能滿足隧道周邊圍巖變化多端的要求。本文的主要內容是針對某一圍巖情況,模擬不同的支護形式和支護參數,分析其對隧道周邊位移和應力場的影響,尋找一種合理的支護方式來滿足地鐵隧道關于安全性和耐久性的要求。
2 　模型建立
2.1 　計算軟件
針對隧道的某一橫斷面,軸向影響可以忽略不計,可看做是一平面應變問題, 在本文中選擇FLAC22D 差分計算程序作為模型分析軟件。
該程序采用拉格郎日元法,利用節點位移連續條件,對連續介質進行大變形計算與分析。在計算過程中將計算區域劃分為若干網格(單元),每個單元在給定的邊界條件下遵循指定的線性或非線性本構關系。在求解大變形時,因為每一時步的變形很小,可近似采用小變形的本構關系和一些理論與定理,最后將各時步的變形疊加,即得到大變形的結果。
FLAC 提供了多種彈塑性材料本構模型,可對彈性模型、摩爾—庫侖模型、砌體節理模型、應變軟化和強化等多種材料進行模型,利用空單元來模擬地下開挖;有靜力、動力、蠕變、滲流、溫度等計算模式,并且各種模式之間可以相互耦合,以用來模擬各種復雜的巖土和土木工程問題。可模擬地應力場的生成、邊坡或地下洞室的開挖、混凝土襯砌、錨桿或錨索的設置、地下滲流等。程序內還設置了多種結構形式,如巖體、土體等其他材料實體,梁、柱、殼以及人工結構,如支護、襯砌、錨桿、錨索、摩擦樁、板樁等。其中的壓桿 梁單元,可用來模擬地面開挖時的撐桿以及巷道工程中的混凝土襯砌; 錨桿單元則可以是定點錨固,也可以沿全長砂漿錨固,還可用于模擬預應力錨索等拉張或壓力作用的支護構件。
2.2 　網格劃分與邊界條件
2.2.1 　計算條件及計算范圍
計算過程中不可取一個無限體來分析,由工程經驗知,在距開挖面隧道直徑的4 倍處可忽略邊界條件的影響。所模擬的隧道直徑大約為7～10m , 所以計算模型長度取110m ,高度取57m ,其中隧道埋深約為17m。
2.2.2 　單元的劃分
采用矩形單元,在隧道斷面處進行局部加密, 共劃分成400 ×320 個單元。
2.2.3 　邊界條件
模型兩側的邊界條件為限定水平移動的滑動支撐,模型底部的邊界條件為限定垂直位移的滑動支撐,模型上部為自由邊界,如圖3.1 和圖3.2 所示。

圖1 　單洞單線并行隧道計算模型

圖2 　大跨度隧道計算模型
2.3 　模型物理力學參數與屈服準則
2.3.1 　物理力學參數的選取
在選用巖土計算參數時,要剔除巖體與實驗巖塊間尺寸效應的影響,可取實驗參數的1/ 10～1/ 5 作為計算參數。
2.3.2 　屈服準則
該計算以廣州地鐵三號線為背景,對單洞雙線和單洞單線并行隧道分別進行計算分析,施工方法采用新奧法,襯砌為復合式襯砌。針對不同的圍巖類別和不同的巖土材料采用不同的力學計算模型。
對Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類圍巖,主要是由填土、砂層及巖石風化后的產物組成,塑性較強的彈塑性地質材料,土的性質比較突出,在材料達到屈服極限后, 可產生較大的塑性流動。對這幾類材料選用摩爾庫侖(Mohr2Coulomb) 屈服準則來對其進行模擬。
2 1 + sinφ 1 + sinφ
fs =σ1-σ3 1 -sinφ + 2 c
1 -sinφ
ft
=σ1-σ3 其中:σ1 、σ3 分別為最大、最小主應力, c 為粘聚強度, < 為內摩擦角,σ為受拉強度。
t 當fs < 0 時材料將發生剪切破壞,材料在達到屈服極限后,在恒定的應力水平下產生塑性流動。在拉應力狀態如果拉應力超過材料的抗拉強度即: ft < 0 時,材料發生拉破。
在Ⅳ類和Ⅴ類圍巖中,主要是巖石類材料,巖石的性質較為明顯,可以采用應變軟化準則來進行模擬和分析。在這一準則中,屈服函數、勢函數、塑性流動法則以及應力修正與摩爾一庫侖準則是完全一致的,不同之處就是粘聚強度、內摩擦角、剪漲角和抗拉強度等在通過塑性屈服點以后,在應變軟化模型中會出現軟化現象。
隧道的支護采用錨桿和復合式襯砌,其中錨桿用桿單元進行模擬,復合式襯砌主要是混凝土構成,其變形也遵循摩爾2庫侖屈服準則。
2. 4 　計算方案與模擬方法
隧道周邊的應力場、位移場以及其他參數不僅受地質情況、錨桿、襯砌等因素的影響,而且還受施工方法的制約。所以,根據隧道所處地段的地質狀況、隧道跨度、施工方法以及所采用的支護措施制定以下計算分析方案,并將不同方案下的計算結果進行比較分析。
(1) 圍巖類別為Ⅰ類和Ⅱ類,中等跨度,CRD 工法施工,采用<42 超前小導管注漿,長度L = 4. 5m , 環向間距0. 35m ,縱向間距3. 0m ; 全環格柵鋼架, 間距0. 6m ; 拱墻WTD25 中空注漿錨桿,長度L=
3. 5m ,間距0. 8 ×0. 6m ,菱形布置;全斷面單層設置
鋼筋網,規格Φ8 ×Φ8 ,間距150 ×150mm。初襯采用C20 ,S6 噴射早強砼,厚度350mm ;二襯是模筑C25 ,S8 鋼筋砼,厚度600mm 。
(2) 圍巖類別為Ⅰ 類和Ⅱ 類,中等跨度,CRD 工法施工,采用<108 熱扎無縫鋼管大管棚注漿,鋼管壁厚8mm , 雙排布置,上下排距1000mm , 上排間距414mm , 下排間距399mm , 管棚長度2. 5m , 外插角1°。其余參數同(1) 。
(3) 圍巖類別為Ⅰ 類和Ⅱ 類,小跨度,臺階法施工,采用<42 超前小導管注漿,長度L = 4. 5m , 環向間距0. 40m , 縱向間距3. 0m ; 全環格柵鋼架,間距1. 0m ; 拱墻設置中空注漿錨桿;單層全斷面設置鋼筋網,規格<6. 5 ×<6. 5 , 間距150 ×150mm 。
初襯采用C20 ,S6 噴射早強砼,厚度350mm ; 二襯是模筑C25 ,S8 鋼筋砼,厚度600mm 。
(4) 圍巖類別為Ⅰ 類和Ⅱ 類,小跨度,臺階法施,采用熱扎無縫鋼管大管棚注漿,雙排布置,上下排距800mm , 鋼管長度2. 0m 。其余參數同(3) 。
3 　計算結果
在計算結果中選擇隧道周邊塑性區分布情況來分析應力場。由于計算中未考慮水平荷載的影響,故只選擇垂直位移曲線來查看隧道周圍的位移趨勢。有關計算結果如下:
3. 1 　隧道周邊塑性區分析

圖1 　方案一塑性區分布圖

圖2 　方案二塑性區分布圖
由圖1 和圖2 可以看出: 對于大跨度的隧道, 管棚注漿較小導管注漿會使得塑性區的范圍有所減小,錨桿端點的受力降低,但塑性區的總體形狀以及出現剪切塑性的位置基本上是不變的。
同時,通過比較圖3 和圖4 , 對于單洞單線的小跨度隧道,同樣會出現與大跨度隧道相類似的結果。再分別比較圖1 和圖3 以及圖2 和圖4 , 可以得出:跨度不同,施工方法不一致同樣會使得塑性變點,這更有利于隧道的支護。

圖3 　方案三塑性區分布圖

圖4 　方案四塑性區分布圖區的分布產生變化。因此,在跨度不變的情況下,采用同一種施工方法時,用強度較大的管棚注漿并不能從根本上改變塑性區的分布形式,僅使其范圍會有所減小,同時錨桿端頭的受力有所降低。反之,如果考慮隧道跨度的影響,那么小跨度將更有利于隧道的支護, 在同等條件下,小跨度隧道更容易施工和維護。
3. 2 　位移場分析
模擬計算時未考慮水平構造應力,只分析對垂直下沉量的影響。

圖5 　方案一隧道周邊垂直位移
對圖5 和圖6 進行比較,可以看出: 在大跨度下管棚注漿可以明顯減少隧道上方的垂直下沉量, 從15mm 減少到12 . 5mm 。但對最大值出現的位置沒有影響。
再對圖7 和8 進行比較,同樣可以得出以上結論,并且垂直下沉量減少的程度大于在大跨度下的情況。所以,管棚注漿對控制隧道上方的下沉量是

圖6 　方案二隧道周邊垂直位移

圖7 　方案三隧道周邊垂直位移

圖8 　方案四隧道周邊垂直位移非常有效的,尤其是在小跨度的情況下效果更加明顯。

　　同時,還可以看出:在采用同一種注漿方式下, 小跨度可以有效地控制拱頂下沉。因此在條件允許的情況下盡量選用小跨度隧道,這樣不僅可以節省大量的支護材料,并且在同等條件下施工將會更加容易,還能有效地滿足隧道的安全性和耐久性等方面的要求。
另外,通過對分析其他力學因素,在施工過程中還應注意以下問題:
(1) 施工過程中無論是采用CRD 法還是短臺階法,都要密切監測圍巖的變形情況,掌握好初期支護和二襯的施做時機,防止過遲或過早,要充分發揮圍巖的自承能力。
(2) 在采用分部開挖時,下半斷面支護的施做要及時,防止由于下半斷面的施工而造成上半斷面支護的懸空。
(3) 在采用CRD 工法施工的隧道,初襯和臨時支撐連接處受力較大,施工時要加強此處的支護。
(4) 二襯在受力變形過程中,在拱頂、仰拱跨中以及抑拱和邊墻相連接的地方受力較大,施工時上述地點的支護要加強。
(5) 采用CRD 法施工時,臨時支撐的一次拆除長度要加以控制,防止臨時支撐拆除后圍巖產生較大的變形。

4 　結論
大強度支護系統并不能從根本上改變塑性區的分布形狀,但會減小塑性區的分布范圍: 小跨度隧道的塑性區較大跨度隧道分布的均勻,一般受載情況下不會出現突變點:大強度支護可有效地抑制隧道拱頂的下沉,尤其對于小跨度隧道效果更加明顯。

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