重慶輕軌大坪車站隧道暗挖段施工
方法數值優化分析

【摘 要】 用有限元數值分析方法計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行為，根據計算力新選擇了合理的施工方法，施工實踐證明根據這種分析選擇的施工方法是可行并可靠的。
【關鍵詞】大斷面隧道 施工方法 有限元 優化分析
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，全長為81．3m，設計縱坡為3‰。其中DK7+658．20-DK7+701．00段洞頂巖(土)體厚4-10m，為Ⅳ級圍巖，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，巖層節理裂隙不發育，巖體完整性較好，為Ⅲ級圍巖，為淺埋地段。襯砌斷面均采用大拱腳薄邊墻隧道結構，邊墻底部開挖寬為21．88m，隧道開挖高為17．86m，開挖面積達最大為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高強度型合成樹脂防水卷材；環向施工縫采用BW-96型膨脹止水條，襯砌背后設地下排水軟式透水管盲溝，環向盲溝采用中50mm、間距8m，縱句采用中80mm，左右各設—根；襯砌初期支護：工字鋼拱采用20b工字鋼，間距為0．5m，系統錨桿采用φ25中空注漿錨桿，每根長3．5m，Ⅲ類圍巖I砸為@1．0mxl．0m，按梅花型布置；鋼筋網采用環向x縱向為+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，在經驗類比的基礎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，以及是否用管棚進行拱部的支護，用有限元力、法進行了計算分析，得出了相對優化的施工方法。
2 數值優化分析
2.1計算工況
有限元計算分成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。下面簡述各工況的施工順序。工況1：在拱部施工支護只施作噴混凝土，而不施作錨桿和管棚(只噴不錨)。計算時模擬步驟為
(1)左右導洞1、1’開挖，同時施作左右導洞1、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 車站隧道雙側壁導洞法施工程序圖
(5)下半斷面左右側上臺階7、7’開挖，同時做8、8’噴／昆凝土支護；
(6)下半斷面左右側上臺階9、9’開挖，同時做10、10’嘯，8凝土支護；
(7)澆注左右側邊墻11、11’混凝土。
工況2：在拱部施工支護施作噴混凝土和錨桿，而不沲作管棚(普通噴錨、無管棚)：計算時模擬
步驟為：
(1)施作左右導洞1、1’拱部噴混凝土、錨桿，左右導洞1、1’開挖，同時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)下半斷面左右側上臺階7、7’開挖，同時做8、8’噴混凝土支護；
(6)下半斷面左右側上臺階9、9’開挖，同時做10、10’噴混凝土支護；
(7)澆注左右側邊墻11、11’混凝土。
工況3：在拱部施工支護施作噴混凝土和錨桿，并施作管棚(噴錨+管棚)：計算時模擬步驟為；
(1)左右導洞1、1’開挖，同時施作左右導洞拱部噴混凝土、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)下半斷面左右側上臺階7、7’開挖，同時做8、8’噴混凝土支護；
(6)下半斷面左右側上臺階9、9’開挖，同時做10、10’噴混昆凝土支護；
(7)澆注左右側邊墻11、11’混凝土。
工況4：在拱部施工支護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，計算時模擬步驟為：
(1)中隔壁3開挖，中隔壁拱頂噴混凝土、錨桿和管棚；
(2)左右導洞1、1’開挖，同時施作左右導洞拱部噴混凝土、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)下半斷面左右側上臺階7、7’開挖，同時做8、8’噴混凝土支護；
(6)下半斷面左右側上臺階9、9’開挖，同時做10、10’噴混凝土支護；
(7)澆注左右側邊墻11、11’混凝土。

2．2計算參數
4種工況計算均采用彈塑性平面應變模型進行計算分析，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屈服準則；混凝土襯砌、噴混凝土、中隔壁型鋼噴混凝土采用梁單元彈性材料模擬。圍巖采用Ⅳ級圍巖的參數，管棚、錨桿均根據其作用的等效原則來考慮，即提高圍巖的粘聚力和摩擦角來替代錨桿的作用，襯砌采用C30涸疑土的材料參數，噴混凝土采用C20噴混凝土的材料參數。具體計算參數見表1。

2.3計算模型
在計算分析中，采用一個共同的模型進行分析，不同工況在求解過程中用不同的開挖命令流來控制。
計算范圍橫向取開挖寬度的5倍。計算邊界條件左右兩個側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。計算模型及有限元網格劃分見圖3。

圖2計算模型與邊界條件 圖3計算模型與網格劃分

3計算結果與分析
對工況1-工況4進行計算，各種工況開挖完成后的地表位移和拱頂下沉計算結果見表2。
從計算結果表明：工況1計算不收斂，說明若只噴不錨，開挖后，圍巖不能穩定，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)，雖然能夠穩定，但這種地表位移和拱頂下沉計算結果方法也應慎重選擇。工況3和工況4能夠穩定，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，即在拱部施工支護施作噴混凝土和錨桿，并施作管棚(噴錨+管棚)，且先開挖兩側導坑，這種施工方法更為合理。
為了了解各步開挖的力學行為，限于篇幅僅給出工況3每—步開挖的位移矢量和塑性區。見圖4-圖8。
4 結 論
(1)計算分析結果表明，采用與計算工況3相同的施工方法，對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)拱部開挖應采取先開挖兩側，再開挖中部較為合理。