浅埋土质大断面隧道开挖顺序三维数值模拟探究

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1、浅埋土质大断面隧道开挖顺序三维数值模拟探究　　摘要：金普快速轨道线路DK28+160-DK28+890设计为地下暗挖双车道大断面隧道，下穿沈大高速公路。该区域地质复杂，围岩为黏土，性质比较差。本文基于弹塑性Mohr-Coloumb本构模型和三维拉格朗日数值模拟方法，对开挖顺序和施工过程进行三维数值模拟，分析了不同开挖顺序和支护条件下的围岩应力、位移和破损区情况，并对于地面沉降情况进行了分析。通过对不同方案施工结果的比较与评价，为合理的方案选择提供基础，对于施工具有重要的参考意义。关键字：隧道；浅埋；大断面；开挖顺序；数值模拟中图分类号：U45文献标识

2、码：A一、引言5金普线位于辽东台隆和华北断坳两个二级构造单元的交接部位。金普快速轨道线路第六标段位于三十里堡，施工里程为DK28+160-DK28+890，长750米。隧道拱顶离地面最深为5米，由于下穿沈大高速公路，地表沉降控制比较严格。隧道设计采用CRD法施工，部分区段为Ⅵ级围岩。鉴于隧道结构和所处地质体的复杂性，为了对施工方案进行评价，基于弹塑性Mohr-Coloumb本构模型和三维拉格朗日数值模拟方法，对开挖顺序和施工过程进行三维数值模拟。二、工程概况隧道洞身揭露地层结构主要由粘性土、砂类土、碎石类土组成，断面的开挖方法选用CRD法进行施工。根

3、据钻探揭示，该场地地层结构主要由第四系全新统人工堆积层（Q4ml）及第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）及震旦系中统（Z2）基岩组成。工程地质纵断面图见图1。图1地质断面图三、有限元数值模拟（一）有限元模型的建立计算采用有限差分软件FLAC3D，依照施工图纸，建立数值模型如图2，本次计算范围选取为：上部取至地表5.35m左右，下部边界取至离隧道外缘周边约24.6m，模型长10m；左右为水平约束边界，下部为垂直、水平约束边界，地表为自由边界。计算模型总单元数为24400个，总节点数为27566个。图2数值模型（二）参数取值5根据围岩的地质勘察报告及支

4、护体系的经验取值。以表1的参数取值为本模型的计算参数。表1围岩及支护体系的物理力学参数四、不同支护条件的计算结果分析（一）有支护条件的不同开挖顺序在地质条件较差的情况下,地下工程往往不能全断面开挖,一蹴而就,这就需要在施工中采用合理的施工顺序。另外,在地铁、公路铁路隧道中,由于受地形限制,往往不得不在距离较小的条件下实施两孔或多孔隧道的施工。多孔隧道的不同开挖顺序,效果往往有所差异[1],尤其是地质条件比较特殊的情况。本模型考虑开挖次序对地表沉降的影响，先采取支护条件下1-2-3-4的开挖顺序，本次开挖顺序由右向左，支护条件不变。软件记录地表历史沉降

5、。变换开挖顺序1-3-2-4，即调换第2步跟第3步。开挖顺变为由上往下。1-2-3-4开挖顺序1-3-2-4开挖顺序图3地表沉降曲线对比图由图3看出，开挖完第一步时的位移大约在14mm，若以第一种开挖顺序继续开挖至第二步，地表的位移沉降值表现出明显不同。1-2-3-4方案的竖向最大位移比1-3-2-4方案的减少约3.3mm。由此可见从右向左的开挖顺序能够有效的减小地表沉降，两种方案的结论均满足施工的要求。5(a)从右往左的开挖顺序(b)从上往下的开挖顺序图4开挖第二步塑性区对比不同的开挖顺序造成不同的塑性区。由图4可以看出，1-2-3-4方案中塑性区

6、明显比1-3-2-4方案塑性区范围大。前一方案由于先开挖竖向洞，使得偏压隧道周围塑性区增大，破坏形式剪切破坏为主。后一方案中,由于先开挖上部隧道,横向开挖面大，造成对隧道塑性区范围影响不大。由此可见两种开挖方式造成了两种不同的塑性区破坏形式。相对而言前者是具有相对风险的开挖顺序[2]。（二）无支护条件的不同开挖顺序1-2-3-4开挖顺序(b)1-3-2-4开挖顺序图5地表沉降曲线对比图由图5可见，在无任何支护条件下，两种开挖方案产生的位移都较大，1-2-3-4方案的最大竖向位移约为64mm，最大水平位移约为54mm;1-3-2-4方案的竖向最大位移约

7、为160mm，洞周最大水平位移约为20多mm,两种开挖方案围岩发生大量塑性变形，围岩结构不稳定，容易发生事故。四、结论51）按照设计的支护条件，开挖上半部形成的地表沉降位移为19mm，开挖侧半部地表沉降位移为16mm。都满足稳定性要求。2）如果不加支护开挖上半部形成的地表沉降位移159mm，开挖侧半部地表沉降位移为64mm，都不满足稳定性要求。开挖上半部形成的地表沉降位移远远大于开挖侧半部方式，也就是说开挖侧半部的方式更容易保持稳定。3）开挖上半部方式如果注浆效果不好，仰拱不及时，单纯靠上半部分的钢格栅，地表沉降位移为52mm。因此在施工中应加强小导

8、管注浆效果，及时施加底板仰拱。尤其注意中隔板的强度和牢固性。参考文献：[1]丛恩伟.多目标规划理论在新建隧道