基于FLAC3D的某地鐵隧道橫斷面開挖變形規(guī)律研究

楊 坦，陳雅君，仇亞偉，蔣亞龍*

(1.建筑結(jié)構(gòu)安徽省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(安徽新華學(xué)院)，安徽 合肥 230088；2.安徽新華學(xué)院 土木與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230088；3.安徽建工集團(tuán)第三建設(shè)公司，安徽 合肥230011)

開展地下交通建設(shè)已經(jīng)成為緩解城市交通壓力的重要措施之一，地鐵建設(shè)環(huán)境的特殊性也使得地鐵施工安全形勢(shì)日益嚴(yán)峻[1]。因此，加強(qiáng)地鐵施工過程中的變形規(guī)律研究對(duì)預(yù)防地鐵坍塌事故意義重大。對(duì)此，學(xué)者們開展了多項(xiàng)研究，其中王玉田[2]采用Midas GTS NX分析了青島地鐵流亭機(jī)場(chǎng)站基坑開挖過程，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的一般規(guī)律；郭海峰[3]對(duì)北京地鐵隧道施工現(xiàn)場(chǎng)高層建筑物荷載進(jìn)行了分析，提出了4種荷載對(duì)地鐵隧道變形影響的作用模式，并開展了物理相似模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了作用模式的合理性。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)地鐵隧道變形的研究主要涉及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和物理相似模擬實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)地鐵隧道開挖過程中的變形規(guī)律動(dòng)態(tài)研究相對(duì)不足。由于地鐵隧道開挖活動(dòng)中圍巖和支護(hù)體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)是一個(gè)連續(xù)過程，對(duì)地鐵施工安全的影響是一個(gè)持續(xù)過程，因此結(jié)合具體施工方案開展地鐵隧道開挖過程數(shù)值模擬研究很有必要。本文針對(duì)某地鐵隧道開挖活動(dòng)，采用FLAC3D有限元分析軟件進(jìn)行過程模擬，對(duì)指導(dǎo)地鐵隧道開挖方案設(shè)計(jì)及具體施工過程具有較大的實(shí)用價(jià)值。

1 工程概況

合肥市軌道交通3號(hào)線土建TJ08標(biāo)位于合肥市蜀山區(qū)、廬陽區(qū)，沿潛山北路地下敷設(shè)，起點(diǎn)里程為DK15+301.65，終點(diǎn)里程為DK17+900.800，線路總長度為2599.15m。沿線兩側(cè)高層建筑密集，建筑物距離地鐵隧道較近，且區(qū)間地下管網(wǎng)密集，依據(jù)勘察報(bào)告提供的地質(zhì)資料，本區(qū)間隧道圍巖等級(jí)為Ⅰ級(jí)，本區(qū)間曾經(jīng)發(fā)生過地下街施工坍塌事故，故在地鐵隧道施工中應(yīng)預(yù)防塌方事故的發(fā)生。

1.1 地質(zhì)條件

本隧道施工區(qū)間沿著包公大道，是一段公路隧道，地段相對(duì)繁華，施工線路周邊有中海濱湖公館、金斗公園等，地形相對(duì)平整。

根據(jù)數(shù)據(jù)收集資料，各個(gè)巖層土體性質(zhì)如下：

(1)素填土層

分布廣泛，顏色呈褐色或灰褐色，質(zhì)地松軟，以粉質(zhì)黏土為主，有少許碎石。層底標(biāo)高：8.52～16.55米。

(2)雜填土層

顏色繁雜，質(zhì)地松軟緊密，稍微濕潤，摻雜不少碎石，以黏性土為主，含有建筑、生活垃圾。層底標(biāo)高：12.05～15.88米。

(3)粉土和粉質(zhì)黏土

顏色呈黃褐色，土質(zhì)稍微濕潤，緊密，中壓縮性，含鐵質(zhì)氧化物，粉質(zhì)黏土層堅(jiān)硬，干強(qiáng)度高，該層連續(xù)分布，層底標(biāo)高：9～13.2米。

(4)礫砂、粗砂

顏色呈黃褐色、褐色，土質(zhì)濕潤飽和，密度中等，以礦物質(zhì)石英、長石為主，層底標(biāo)高：2.84～12.89米。

(5)巖石層

白堊紀(jì)基巖，風(fēng)化泥質(zhì)砂巖顏色呈棕紅色，緊密，濕潤，主要礦物成分為石英、云母等，易碎，風(fēng)化泥質(zhì)砂巖在不同地層中風(fēng)化程度不同，有強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中等風(fēng)化泥巖。層底標(biāo)高：-1.2～12.21米。

參考施工區(qū)段的地質(zhì)勘查報(bào)告中的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)值，綜合如下表1所示。

表1 部分巖土力學(xué)性質(zhì)參數(shù)估值表

1.2 地鐵隧道施工過程簡(jiǎn)介

備選設(shè)計(jì)方案中，該標(biāo)段隧道開挖橫截面形狀為馬蹄形，寬度為6m，隧道開挖實(shí)施暗挖法，采用隧道臺(tái)階法開挖，通過豎井至馬頭門拱頂標(biāo)高，隨后豎井格柵環(huán)向進(jìn)行封閉，拱腳設(shè)鎖腳小導(dǎo)管，噴射馬頭門拱部位混凝土，轉(zhuǎn)入橫通道施工。同樣，橫通道施工至正線馬頭門時(shí)，預(yù)留馬頭門洞口及大管棚、超前小導(dǎo)管空洞，加強(qiáng)馬頭門兩側(cè)格柵的連接，待橫通道施工完畢后，再破馬頭門進(jìn)入正線施工。

2 地鐵隧道開挖過程數(shù)值模擬

2.1 FLAC3D軟件在地鐵隧道開挖模擬中的應(yīng)用

本文計(jì)算采用FLAC3D對(duì)地鐵隧道開挖變形進(jìn)行模擬計(jì)算，并且按照工程施工的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)狀況和周邊環(huán)境影響進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)確定，結(jié)合相關(guān)地鐵隧道施工經(jīng)驗(yàn)初步確定本方案。

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)上述的條件來建立一個(gè)隧道模型，首先要做的就是根據(jù)實(shí)際的情況采用合理的邊界范圍，由于隧道開挖會(huì)導(dǎo)致施工部位周圍土體應(yīng)力重分布，考慮到其變形范圍可能很大，選用模型的邊界范圍是隧道開挖尺寸的四倍，這樣對(duì)土體變形的分析更有準(zhǔn)確性。模型構(gòu)建的與實(shí)際的情況越接近，得出的結(jié)果越精確。同時(shí)控制構(gòu)建模型參數(shù)可靠性同樣非常重要，模型建立后所運(yùn)算出來結(jié)果的正確性很大程度上取決于這些材料性質(zhì)參數(shù)的選取。

在這個(gè)模型中設(shè)置固定邊界條件，設(shè)與隧道橫斷面平行的方向?yàn)閄方向，垂直橫斷面方向?yàn)閅方向，垂直于地面為Z方向?？刂颇Ｐ洼S向(X)兩側(cè)的位移和隧道底部Z方向的位移，這些都用固定約束的形式，同時(shí)假設(shè)隧道上方荷載均勻分布。本模型尺寸為24m×20m×16m，形成網(wǎng)格單元1320個(gè)，節(jié)點(diǎn)1764個(gè)。

2.3 地鐵隧道開挖模擬

本文先用零模型來模擬隧道開挖過程，用摩爾-庫倫塑性模型構(gòu)建隧道圍巖周圍土體，用各向同性彈性模型模擬開挖支護(hù)。各向同性彈性本構(gòu)模型構(gòu)建需要兩個(gè)工程地質(zhì)參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)分別是剪切模量G和體積模量K，不過它們可以根據(jù)彈性模量E和泊松比v由下列公式(1)和(2)計(jì)算得出。為了方便計(jì)算起見，在Flac3D有限差分軟件中也可以通過直接輸入彈性模量E和泊松比v來定義各項(xiàng)同性彈性材料的物理性質(zhì)，具體數(shù)值見上表1。

(1)

(2)

假設(shè)隧道模型符合彈塑性本構(gòu)模型[6]，給模型賦予地質(zhì)參數(shù)，運(yùn)行得出體系最大不平衡力變化曲線圖如圖1所示，此時(shí)的位移云圖如圖2所示。

圖1 初始體系最大不平衡力變化曲線圖

從圖1能夠看出，初始體系最大不平衡力隨著時(shí)間的進(jìn)行，逐漸趨近收斂，這說明土體地應(yīng)力逐漸趨于平衡，不過這并不表明此時(shí)土體不會(huì)發(fā)生移動(dòng)變形，這種平衡只是說明網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處于力平衡，這是一種動(dòng)態(tài)平衡，比如土體產(chǎn)生穩(wěn)定的塑性變形。此時(shí)建立的模型是在隧道施工前的狀態(tài)，可以認(rèn)為這時(shí)的土體已經(jīng)不產(chǎn)生移動(dòng)變形了，故將圖2產(chǎn)生的土體移動(dòng)量清零，而應(yīng)力保留。

圖2 隧道開挖前初始位移云圖

先進(jìn)行隧道臺(tái)階法上部分施工，如果沒有進(jìn)行支護(hù)，這時(shí)隧道圍巖最大不平衡力重分布變化規(guī)律如圖3所示，此時(shí)隧道圍巖拱頂和底部的Z向位移云圖如圖4所示。

圖3 不設(shè)支護(hù)最大不平衡力重分布變化曲線圖

圖4 不設(shè)支護(hù)隧道圍巖Z向位移云圖

此時(shí)在開挖后適時(shí)地對(duì)隧道進(jìn)行初期支護(hù)，綁扎鋼筋網(wǎng)片然后噴射混凝土，這時(shí)體系最大不平衡力重分布變化曲線如圖5所示，此時(shí)隧道圍巖拱頂和底部的Z向位移云圖如圖6所示。

圖5 初期支護(hù)后最大平衡力重分布變化曲線圖

2.4 結(jié)論分析

由圖4和圖6可以看出，不設(shè)支護(hù)隧道圍巖頂部下沉變形量為3.58cm，隧道底部隆起變形量為1.0cm，采取初期支護(hù)后，隧道圍巖頂部最大移動(dòng)變形量為2.44cm，隧道底部變形量為2.23cm?？梢钥闯觯O(shè)置了初期支護(hù)后隧道圍巖變形量有著不小的變化。

3 地鐵隧道開挖監(jiān)測(cè)分析

本文主要研究由于隧道的開挖而引起的圍巖變形，因此將詳細(xì)介紹圍巖變形在隧道施工中的監(jiān)測(cè)方法，并根據(jù)在地鐵3號(hào)線方廟站至竇橋?yàn)痴緟^(qū)間收集到的實(shí)測(cè)資料，對(duì)隧道開挖施工引起的變形規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

3.1 監(jiān)測(cè)目的

了解隧道拱頂下沉和周邊收斂位移的最大值，從圍巖拱頂變形的速率及大小分析判斷出圍巖的穩(wěn)定情況，選擇合適的二襯支護(hù)時(shí)機(jī)。對(duì)隧道開挖地表沉降監(jiān)測(cè)，分析隧道開挖對(duì)上方土體的影響，和隧道拱頂下沉變形量對(duì)比分析，觀測(cè)支護(hù)效果和反饋設(shè)計(jì)，調(diào)整開挖支護(hù)方案，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)儀器采用全站儀，在初期支護(hù)后應(yīng)對(duì)圍巖拱頂下沉及周邊收斂的情況進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量的前提是每隔30m布置一個(gè)測(cè)量斷面，隧道圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布在圍巖拱頂和側(cè)拱的部位，圍巖拱頂監(jiān)測(cè)下沉變形量，側(cè)拱監(jiān)測(cè)水平收斂，具體的分布位置如圖7所示。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本文收集到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是竇橋?yàn)痴靖浇淼绤^(qū)段資料，監(jiān)測(cè)的頻率為每兩天監(jiān)測(cè)一次，隨著隧道項(xiàng)目工程的進(jìn)行，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化曲線如圖8所示。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)變形量曲線圖

從監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)來看，此隧道斷面變形累計(jì)值隨著時(shí)間變化而增大，最終在第九天時(shí)拱頂沉降值在2.3cm時(shí)趨于穩(wěn)定，曲線波動(dòng)較??；隧道側(cè)拱水平收斂變形量最終累計(jì)值在1.9cm時(shí)趨于穩(wěn)定，曲線波動(dòng)較小。與數(shù)值模擬的結(jié)果相比差值不大，說明數(shù)值模擬具有可行性。整體上看隧道拱頂?shù)淖冃瘟勘瓤讖剿绞諗孔冃瘟看?，因此在考慮支護(hù)時(shí)要注重上部的支護(hù)。

4 結(jié)論

(1)地鐵隧道在不設(shè)支護(hù)時(shí)，圍巖頂部下沉變形量為3.58cm，隧道底部隆起變形量為1.0cm；采取初期支護(hù)后，地鐵隧道圍巖頂部最大移動(dòng)變形量為2.44cm，隧道底部變形量為2.23cm。

(2)當(dāng)模擬總步數(shù)為Step 18316時(shí)，設(shè)支護(hù)的隧道圍巖頂部位移比不設(shè)支護(hù)減少了1.14cm，這就說明采取支護(hù)能有效減少拱頂下沉。底部位移增加1.23cm，該支護(hù)方案可能存在增加坑底隆起的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)地鐵隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明其斷面變形累計(jì)值隨著時(shí)間變化而增大，并在第9天時(shí)拱頂沉降值在2.3cm時(shí)趨于穩(wěn)定，曲線波動(dòng)較??；側(cè)拱水平收斂變形量最終累計(jì)值在1.9cm時(shí)趨于穩(wěn)定，曲線波動(dòng)較小。