文档介绍：浅埋土质大断面隧道开挖顺序三维数值模拟研究
浅埋土质大断面隧道开挖顺序三维数值模拟研究
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文献标识码:A

一、引言
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: m左右, m,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
根据围岩的地质勘察报告及支护体系的经验取值。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。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