地铁隧道水平局部冻结施工应力与位移场数值模拟分析
摘要:北京地铁大北窑区间在我国首次采用水平冻结施工,准确预测水平冻结施工引起的地表变形十分重要。文章介绍利用FLAC 软件对该工程进行的施工隧道应力及位移场数值模拟研究。关键词:地铁隧道 水平冻结 冻结壁 地表变形 数值模拟
冻结法由于具有高强、阻水、均匀、灵活、经济等特点,在日本及欧洲各国的城市地铁等市政工程中都有广泛应用。我国在北京、上海地铁施工中也采用过局部冻结技术,但地铁隧道的水平冻结施工在我国还没有先例。北京地铁大北窑车站区间隧道施工首次成功地采用了水平冻结技术,水平冻结长度40 余米。工程地处交通枢纽,交通繁忙、建筑众多,隧道上覆多条地下市政管线。冻结施工伴有冻胀和融降现象,过量的冻胀量和融降量将使地下管线及地上的建筑物、道路等受到影响甚至破坏,因此,研究和预测城市地铁隧道水平冻结对地下管线、地表变形的影响规律十分必要。
1 工程简介
北京地铁大北窑区间隧道局部水平冻结施工工程距大北窑车站东侧40 m , 位于建外大街与东三环的交叉处,有多条地下管线,隧道顶部有2 m 厚的粉细砂层,由于多条管线渗漏,致使粉细砂土饱和。隧道暗挖施工时出现流砂坍塌,为保障地面立交桥的安全畅通, 隔断门向西40 m 隧道采用局部水平冻结法施工。地质情况为:0～ -115 m 为杂填土层, -115～ -1015 m 为轻亚粘土层, -1015～ -1215 m 为粉细砂层, -1215 ～ -1815 m 为圆砾石层,隧道底部-1815～ -2215 m 为轻亚粘土层。
2 FLAC 软件及模型的建立
FLAC 软件即连续介质快速拉格朗日分析软件,是目前世界上最优秀的岩土力学数值计算软件之一,在模拟支护体方面可提供梁、桩、锚杆、壳体等多种结构单元,非常适合于研究隧道开挖等岩土工程问题。
211 施工隧道的数值分析模型
选取冻结法施工隧道的横断面作为开挖模拟的力学几何模型,以现场原型工程为研究对象。考虑问题的对称性,取一半建立模型,待开挖的隧道断面取半径为3 m 的圆形,上覆盖土层厚12 m , 隧道底板土层厚度分别取10 m 和23 m , 满足大于隧道开挖影响范围3～ 5 倍的要求。力学模型尺寸为23 m ×28 m , 按平面应变问题求解,模型底部边界采用固定X 、Y 方向位移约束,左、右边界都采用固定X 方向的位移约束条件。由于原型工程属于浅埋隧道,座落在其上方的东三环立交桥的桩基持力层在隧道底板埋深水平以下,故地表上方不需加载。212 隧道分步开挖模型选取工程现场隧道纵断面作为隧道开挖模拟的力学几何模型,隧道纵向长40 m , 断面高112 m , 开挖步距2 m , 上覆土层厚12 m , 隧道底部范围土层深10 m , 平面40 m ×28 m , 网格划分为1 120 单元,按平面应变问题求解,模型底部边界采用固定X 、Y 方向位移约束,左右边界采用固定X 方向约束。213 模型的有关参数本模型采用摩尔—库仑准则参考有关资料确定模型材料参数如表1 。
表1 模型材料参数
在修正模型中输入土体初始参数后,计算分析主应力、塑性区发展状况及拱顶和隧道上方地表的垂直位移过程,得到如下结论:
(1) 作为施工隧道开挖中承受上覆地压的主要载体 冻结壁的拱脚上出现应力集中,应力集中系数可达3～4 之多。
(2) 冻结壁拱脚冻土体可能会出现塑性屈服区,这正是现场隧道收敛测试中出现的两拱脚之间距离先减小后增大现象的根本原因。
(3) 在隧道开挖造成土层损失引起地表下沉的过程中,由于抗压、抗弯强度等力学指标比周围土体大得多的冻结壁减缓了隧道中线及附近的地表下沉,从而减少了地表下沉量。
根据PECK原理作出如下地层地表沉降预测:
2
-x
S = Smax ·exp
2 i2 式中 Smax 地表最大沉降量;
i 沉降槽宽度系数;
x 距隧道中心线距离。
取i = 0141 H ( H 为开挖深度),绘出按PECK 公式计算的地面沉降曲线(见图1) 。
图1 地表沉降曲线图
比较表明,由模拟得到的地面沉降曲线与PECK 公式的曲线相一致。从图1 可知,隧道开挖后形成的地表沉降槽在垂直隧道轴线方向上的影响范围为隧道外侧约215 倍洞径。将沉降槽近似看成三角形,沉降槽的平均倾斜率ΔT = SmaxΠW = 01000 75( W 为沉降槽的半宽) 。根据《建筑地基基础设计规范》(GBJ7 —89) 的规定,对于高度< 60 m 的多高层建筑,基础的允许倾斜率≤01003 ,所以隧道水平冻结施工引起的正常地面沉降不会使地面建筑和混凝土路面遭到破坏。改变冻结壁厚度(018 m、112 m、115 m、118 m) 得到 地表沉降与冻结壁关系曲线见图2 。
图2 地表沉降与冻结壁厚度的关系
从以上图形可得出如下结论:(1) 冻结壁的厚度参数是隧道水平冻结施工中的一个重要参数,冻结壁对控制地表沉降的作用很明显。地表沉降在冻结壁厚度S = 112 m 时为12 mm , S = 018 m 时为16 mm(增加60 %), S = 115 m 时为10 mm(减少了20 %) 。
(2) 对于原型工程,其他条件(开挖步距、台阶工作面长度及掘砌工艺等) 不变时,冻结壁厚度可降为018 m ,此时地表沉降量为16 mm ,满足北京地铁施工地表沉降量最大允许值30 mm 的要求,取一倍安全系数,得到合理的冻结壁厚度为115 m。
4 隧道开挖施工动态数值模拟
采用虚拟支撑力法来模拟开挖断面的空间效应。在正台阶工作面长度为4 m、开挖步距2 m 以及其他条件都与现场相同的情况下,在模拟程序中设置隧道的顺次开挖拱顶及地表监测点,拱顶处从点( i = 4 , j = 17) 开始, 每隔2 m 设置一个测点, 直至( i = 12 , j = 17) ,前后共设5 个测点;隧道中线垂直上方地表从点( i = 1 , j = 29) 开始,每隔2 m 设置一个测点,直至( i = 33 , j = 29) ,前后共设17 个测点。分析隧道中线垂直上方地表各点、拱顶各监测点的沉降数据得到如下结论:
(1) 当掌子面开挖到与测点距离相差110～115 倍洞径时,隧道开挖就对地表产生影响,造成一定范围的沉降。
(2) 当开挖工作面推进到距离超过测点2～3 倍洞径时,变形速率逐渐稳定下来,主要是地层的变形逐渐趋于平缓。
在开挖第5 步时,改变开挖步距( L 0 = 2 m、3 m、4 m) ,得到拱顶测点( i = 1 , j = 17) 的位移沉降历史图(图3) 。 分析表明,在开挖步距L0 = 4 m 的情况下,检测点
注:菱形点、方点及三角点分别代表开挖步距为2 、3 、4 m 。
图3 不同开挖步距对应的拱顶沉降历史
注:菱形点、方点及三角点分别代表开挖步距为2 、3 、4 m 。
图4 不同台阶工作面长度对应的地表沉降历史
分析表明,适当降低台阶工作面长度对地表沉陷及拱顶下沉量的影响不大,但增大台阶工作面长度却能明显地减少地表的沉陷值及隧道的收敛变形值。在北京复—八线采用水平冻结法施工时,台阶工作面的合理优化长度L = 5 m 。5 结论
(1) 通过基于原型工程的数值模拟可得到隧道水平冻结法开挖施工中应力场、位移场分布特征。
(2) 通过数值计算得到的考虑地表沉降情况下的合理冻结壁厚度为115 m 。
(3) 通过隧道开挖施工动态数值模拟,得到随着工作面的推进,隧道上方地表各点的沉降规律为:当掌子面开挖到与测点距离1～115 倍洞径时,隧道开挖就开始对地表产生影响,造成一定范围的沉降;当开挖到距离超过测点2～3 倍洞径时,该地表变形速率逐渐趋于平缓。
(4) 通过数值计算,得到北京地区地质条件下水平冻结法施工的合理开挖步距L 0 = 3 m 和合理台阶工作面长度L = 5 m 。
