数值模拟地下洞室开挖方案优化.pdf

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1、隧道与地下工程器Tunnel＆UnaergroundEngineering数值模拟地下洞室开挖方案优化周玲芳(北京市政建设集团有限责任公司第四工程处，北京100055)摘要：结合北京地铁动物园车站的建设，以开挖扰动导致围岩塑性区面积最小、围岩中产生的最大位移最小为评判准则，采用数值模拟的方法对同一断面不同的开挖步序进行了优化，其优化结果与实际工程中采用的开挖顺序一致，对于类似地下洞室的建设具有一定的参考价值。关键词：地铁车站；地下洞室；开挖优化；数值模拟中图分类号：U231．4文件标识码：B文章编号：1009—7767

2、(2010)02—0099--04NumericalSimulationforOptimizationofExcavationPlanofUndergroundChamberZhouLingfang地下洞室的开挖与支护是一个多步骤的、每次开挖都对以后各次开挖产生影响的复杂过程。不同的开挖顺序及施T方案对地下洞室稳定性的影响不同。即开挖顺序或施工方案将直接影响围岩应力、变形及破坏区的发展变化过程。因此，选择合理的开挖顺序及施r丁过程是地下洞室设计与施工的重要内容。具有重要的理论意义和过程使用价值。如何开挖才能保证围岩塑性

3、区面积最小以及围岩变形最小，需要进行方案优化。目前，国内对地下洞室施工顺序的优化研究已经有很多I]-51，本文将以北京地铁4号线动物圃车站出入El的建设为例．采用FLACl61数值分析程序对该工程进行不同方案的模拟计算，从而确定出最优的开挖方案。该方案在实际洞室的建设中被证明是成功的，对日后类似工程建设具有一定的参考价值。1工程概况北京地铁4号线动物园车站为地下三层i跨岛式站台车站。共设有7个出人口通道和2个风道。总长189．9m，标准段总宽20．9m，底板埋深约29．0m，车站主体采用盖挖逆作法施T。出入口明挖部分基

4、坑围护结构采用钻孔灌注桩，基坑内设置横向钢支撑；暗挖结构采用矿山法施工。车站在地貌上处于永定河冲洪积扇的中部．地层以第四纪冲积、洪积土层为主，场区地形基本平坦。车站地层自上而下可分为人T堆积层、新近沉积层和第四纪沉积层3大类。出入口暗挖部分为单层单跨拱顶直墙结构，覆土厚度一般为10nl左右，为浅埋隧道，围岩稳定性较差，故采用复合式衬砌。初期支护由喷射混凝土、钢筋网及钢筋格栅拱组成：二次衬砌为模筑钢筋混凝土。初期支护与二次衬砌之间敷设防水层。2数值模拟2．1计算模型由于考虑的是同一断面内不同块开挖次序优化。故可采用平面计

5、算。如网1所示．以洞室底板中点为坐标原点，水平X轴正负各取15m作为位移为零的边界。垂直Z轴负方向取15m作为位移为零的边界。模型上部为自由边界．取平均埋深为10m。计算中只考虑重力。—托烈∞寸}C尊r，7珧『工⋯呈墨托挑：2争C3-t2I一”一15一I图1计算模型示意图(n1)2010第2期(3一)第28毫啼荭笈舂一ET99器隧道与地下工程Tunnel＆UndergroundEngineering2．2计算模型物理力学参数由于施工土层主要是粉质黏土．因此模型中的围岩只取1种材料。根据地质勘测报告及后来的试验结果．其物

6、理力学参数见表1。表l计算模型物理力学参数2．3力学模型采用非关联流动法则的弹塑性计算法．塑性势面与屈服面的差异由剪胀角体现。屈服准则采用Mohr—Coulomb准则。2．4网格划分该开挖过程采用FLAC软件进行数值模拟，该软件设计的基本算法是拉格朗日差分法．是一种利用拖带坐标系分析大变形问题的数学方法．并利用差分格式按步积分求解【71。按照开挖对围岩影响(影响大的区域网格划分得密一些，影响小则疏一些)来划分，模型共划分1170个单元，2438个节点。网格划分见图2。图2网格划分3计算结果分析3．1不同开挖方案围岩塑性

7、区对比(见图5、6)图5第1种方案塑性区分布图6第2种方案塑性区分布统计计算表明：方案l围岩塑性区面积为5．59m2：方案2为6．7lm2。方案2塑性区较方案l大出的面积主要分布在拱顶处，即方案2的开挖在拱顶处会造成更多的嗣岩甥性破坏。3．2不同开挖方案围岩变形对比出入口暗挖段开挖完成以后．重点比较的是洞室的拱顶下沉和侧墙上的水平变形。第1种方案洞室平面Z和X方向位移等值线云图分别见图7、8。2．5开挖方案如图3、4所示，首先按照l、2、3、4的步序依次开挖、施作初期支护，然后整个断面一次施作二次支护。图7第1种方案Z

8、方向位移云图石入．24L2．9兵、34。2．9图3第1种歼挖方案图4第2种开挖方案(单侧壁导坑法)横断面图(m)(上导坑法)横断面图(m)图8第1种方案X方向位移云图100．聿荭投毒一ET2010No．2(Mar．)V01．28从图7可见。主洞室拱顶下沉值约为2．2mrlrl，拱底隆起值约为2．28mm，侧墙从整体上看有向上运动的