洞樁法的三維模擬

1、沈陽地鐵中街站淺埋暗挖洞樁法三維數(shù)值分析宋建 霍延朋（東北大學 資源與土木工程學院）摘 要：本文結合沈陽地鐵中街站的工程實例，采用FLAC3D軟件對隧道淺埋暗挖洞樁法的施工進行三維數(shù)值模擬，從地表沉降、地層應力、支護結構受力等方面對其的穩(wěn)定性做了系統(tǒng)的分析研究，得到沈陽中街站在開挖過程中的應力、應變的變化規(guī)律，以期對洞樁法的進一步推廣起指導和推動作用。關鍵詞：施工；穩(wěn)定性；地表沉降；數(shù)值分析隨著我國地鐵的大規(guī)模建設，地鐵車站施工技術也不斷進步，洞樁法就是在傳統(tǒng)淺埋暗挖法的基礎上創(chuàng)新地吸收蓋挖法的技術成果形成的新工法。它主要適用于少水軟巖或土質(zhì)地層的單跨、雙跨或多跨結構施工。1 工程概況沈陽地鐵

2、中街站取材于沈陽地鐵一號線一期工程，是沈陽市重點工程，中街站位于沈陽市沈河區(qū)朝陽街與中街步行街交叉口，沿中街步行街東西向布置，與規(guī)劃四號線在交叉路口十字換乘。車站計算站臺中心里程DK17+984.267，起訖樁號分別為DK17+880.567DK18+104.267，全長223.7m。車站大部分以2的縱坡由西向東下坡。車站為雙層島式地下車站，站臺寬11m。車站有效站臺中心處地面高程51.08m，頂拱覆土8.56m，軌面埋深28.25m，底板埋深26.49m。如圖1車站結構橫斷面。 圖1 中街站站型 圖2 模型的邊界條件2 力學模型的建立2.1模型選取及邊界約束 此次中街站模型的計算范圍取為：以

3、老邊餃子館(即DK17932.367)向東沿車站縱向取80m(即DK18012.367)，上邊界取地表，沿地表向下取50m，模型寬度取為150m（為6D7D，D為車站跨度）。該模型側(cè)面和底面為位移邊界（即人為邊界），側(cè)面限制水平移動；底部限制垂直移動。模型上面為地表，取為自由邊界（即真實邊界），如圖2。2.2有限單元的選擇根據(jù)各材料在施工階段不同的性質(zhì)以及所起到的作用，在FLAC3D中對應的選取相關的模型如下：對復合式鋼格柵混凝土襯砌采用殼單元模擬；二襯采用實體網(wǎng)格單元模擬；以取不同的材料參數(shù)模擬超前注漿和預加固措施；通過指定區(qū)域材料性能的變化來模擬整個施工過程的進行。2.3模型假定及選取及計

4、算參數(shù)的選取鑒于土體的性質(zhì)如各向異性以及一些不確定的因素等難以建立起和土體相同的模型，只有在按照力學分析的各種假設的前提下最大程度的接近實際模型，而本次計算所采用本構關系及模型假定如下： 土層材料采用摩爾-庫侖模型計算；強度準則采用摩爾-庫侖準則；沒有考慮地下水滲流在隧道開挖過程中的影響； 地層的應力應變均在彈塑性范圍內(nèi)變化。根據(jù)沈陽中街地鐵車站處的地層分布狀況以及相關的勘察資料，將整個模型范圍的各層土簡化為成層均質(zhì)水平分布，模型計算所取的地層參數(shù)見表1。表1 計算參數(shù)的選取表材料名稱厚度h(m)彈模E0（MPa）泊松比u容重（KN/m3）粘聚力C（KPa）摩擦角（°）雜填土57.9

5、40.4520.12613粉細砂919.80.2817.368.830.7中粗砂527.40.2618.1521.534.7礫砂427.40.2618.1521.534.7圓礫14980.23211036礫砂27.40.262021.534.7注漿層2980.23211.8×10442中板0.453.0×1040.16725圍護樁0.8（直徑）3.0×1040.16725拱圈0.753.0×1040.16725鋼管柱3.35×1040.2525鋼支撐2.06×1050.25782.4網(wǎng)格劃分據(jù)FLAC程序的計算原理，為了減少因網(wǎng)格劃分

6、引起的誤差，網(wǎng)格的長寬比應不大于5，對于重點研究區(qū)域可以進行網(wǎng)格加密處理。本車站模型共33760個網(wǎng)格單元，36609個網(wǎng)格點。整體的模型網(wǎng)格劃分如圖3所示，車站開挖后模型如圖4所示。 圖3 整體模型的網(wǎng)格劃分 圖4 開挖后整體的模型3 計算結果分析3.1地表監(jiān)測點的布置為了監(jiān)測周圍土體的變形及應力變化，在距車站不同位置設置了一系列地表監(jiān)測點。各監(jiān)測點的布置如圖5所示，同時取斷面y=20處的監(jiān)測點（-11.6,20,0）、（-5.85,20,0）、（0，20，0）、（5.85,20,0）、（11.6,20,0），為了便于下文的描述，分別命名為M1、M2、M3、M4、M5。圖5 監(jiān)測點的布置3.

7、2地表沉降如圖6所示為地表各監(jiān)測點的沉降曲線，由此可以看出最大沉降為63mm，出現(xiàn)在左測拱頂，各監(jiān)測點沉降統(tǒng)計如表2。綜合分析在開挖的過程中，隨著導洞的增多，開挖面積的增加沉降由開始的平緩急劇的下降，但在受力體系改變后，在隨著FLAC模擬計算步數(shù)的增加，地層沉降已趨穩(wěn)定，同時也可以看到洞樁法對主體開挖施工后期的穩(wěn)定性提供了可靠的保障。由表2統(tǒng)計的數(shù)據(jù)可以看到在小導洞施工階段和主體拱部初襯施工的沉降占有的比例較大，其原因主要表現(xiàn)在兩方面：其一是小導洞施工對土體的擾動次數(shù)多；其二為初襯施工階段對主體進行大面積的開挖，受力體系在這個階段發(fā)生了轉(zhuǎn)換，在不同程度上都對地層產(chǎn)生了較大的影響。圖6 主體施工

8、完成后各監(jiān)測點的位移沉降曲線表2 各監(jiān)測點在各施工階段地表沉降量統(tǒng)計表序號開挖工況監(jiān)測點M1監(jiān)測點M2監(jiān)測點M3監(jiān)測點M4監(jiān)測點M5沉降量/mm占最終沉降量的比例沉降量/mm占最終沉降量的比例沉降量/mm占最終沉降量的比例沉降量/mm占最終沉降量的比例沉降量/mm占最終沉降量的比例1小導洞施工2866.7%2641.3%2578.1%2541%2666.7%2底梁、鋼管柱、頂梁、圍護樁及冠梁施工3311.9%306.34%289.38%284.9%285.1%3主體拱部初襯施工379.6%5844.4%306.25%5945.9%3517.9%4主體拱部二襯施工394.7%614.76%313

9、.1%601.6%362.6%5主體開挖施工427.1%633.17%323.1%611.6%397.7%3.3地層應力的分析如圖7所示為初始地應力，由于地表的加載不同，同一地層的地應力也不相同。如圖8所示，導洞貫通后，在導洞附近的一定范圍之內(nèi)力釋放，在底導洞附近了出現(xiàn)了應力集中區(qū)，和上一階段相比，最大主應力有所增大為6×105Pa。 圖7初始地層應力 圖8導洞開挖后最大主應力的分布 圖9 導洞內(nèi)部的施工 圖10 開挖施工完成后在導洞內(nèi)部施工如圖9，即底梁、鋼管柱、頂梁、圍護樁及冠梁施工階段，在導洞附近的一定范圍之內(nèi)力釋放，在底導洞附近了出現(xiàn)了應力集中區(qū)，和上一階段相比，對土體的擾動

10、比較大，地層應力的層次分布更為明顯，模型的底部地應力有所增加最大值為9.2×105Pa 。由圖10可以看到底部應力都明顯的改變，跨中的大面積土體開挖，使底部出現(xiàn)了約為0.1MPa的正應力，中軸處由于有鋼管柱傳遞了上部土體的荷載，因而地應力還是表現(xiàn)為負（即受壓）。4結論本文以沈陽地鐵一號線中街站為依托，通過數(shù)值模擬等手段，并結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，著重研究了在各施工工況中地表沉降變化以及整個施工過程中地層應力的變化趨勢，同時也對各個工序進行了探討，從而可以總結出各工序?qū)φ麄€施工過程中地層沉降的影響。通過本次模擬分析和研究，可以得到對淺埋暗挖洞樁法以下認識：根據(jù)數(shù)值模擬結果顯示，地表最大沉降為63mm，而實際監(jiān)測地表的最大沉降為66mm，誤差為3mm，誤差率為4.5%，表明模型的建立及分析方法是符合實際的，采用FLAC3D軟件是科學可行的。 根據(jù)數(shù)值模擬結果表明：模擬監(jiān)測點在各階段的沉降量觀測，綜合各點以小導洞施工對地表沉降影響最大，占最終沉降的66.7%。 根據(jù)數(shù)值模擬結果顯示，主體大面積開挖時圍巖應力發(fā)生了重分布，主要表現(xiàn)在拱部上方局部受壓顯著增加，拱部加固區(qū)土體壓應力最大達1.75MPa。根據(jù)數(shù)值模擬結果顯示，主