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1、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
2、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40m,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2m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40m隧道采用局部水平冻结法施工。地质情况为:0～-115m为杂填土层,-115～-1015m为轻亚粘土层,-1015～-1215m为粉细砂层,-1215
3、～-1815m为圆砾石层,隧道底部-1815～-2215m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3m的圆形,上覆盖土层厚12m,隧道底板土层厚度分别取10m和23m,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23m×28m,按平面
4、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40m,断面高112m,开挖步距2m,上覆土层厚12m,隧道底部范围土层深10m,平面40m×28m,网格划分为1120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
5、材料参数3 隧道开挖过程数值计算结果处理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-xS=Smax·exp2i
6、2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=0141H(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=SmaxΠ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(018m、112m、115m、118m)得到地表沉降与冻结壁关系曲线见图2。图
7、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=112m时为12mm,S=018m时为16mm(增加60%),S=115m时为10mm(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018m,此时地表沉降量为16mm,满
