隧道开挖步距对地层位分移影响研究.doc
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1、隧道开挖步距对地层位移影响研究摘要:以深圳地铁暗挖隧道施工资料为基础,利用三维模拟程序对暗挖隧道施工过程及支护结构进行了模拟分析。对于喷射混凝土和格栅钢架组成的隧道初支系统,考虑了喷射混凝土的时间效应及格栅钢架与喷射混凝土的不同刚度。在模拟过程中,研究了不同开挖步距对地层位移的影响规律。从分析结果可以得出,隧道拱顶沉降和地表沉降随着开挖步距增加而增大,其沉降与开挖步距近似服从二次多项式的函数关系。关键词:数值模拟;开挖步距;沉降1概述在浅埋暗挖隧道施工过程中,工作面的开挖步距往往是依据工程类比法等经验方法选取的1,虽然工程类比法有一定的合理性,但是由于缺乏对实际地层条件的把握,无法对开挖步距做
2、出及时准确的选择和调整。开挖步距过小,使施工中的开挖与支护工序转换频繁,不利于快速施工,而且要使用很多的钢拱架,造成材料的浪费;开挖步距过大,空顶时间较长,又容易造成很大的围岩变形,不利于工作面的稳定,对周围环境造成不良影响。因此,如何选取合理的开挖步距,既能满足快速施工的要求,又不会对周围环境造成太大的影响,是一个值得探讨的问题。本文试图通过数值模拟的方法,对深圳地铁软弱地层暗挖隧道的开挖步距进行科学的研究,从而为合理开挖步距的选择提供科学的依据。2数值模拟概况2.1计算软件简介数值模拟软件采用国际上著名的岩土工程计算软件FLAC-3D,与其他的有限元计算软件相比,该软件具有以下优点:(1)
3、采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程,并应用混合单元离散模型,可以准确地模拟材料的屈服塑性流动、软化直至大变形,尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。(2)计算过程中不必形成与有限元程序那样的整体刚度矩阵,每一步计算所需要的计算机内存很小,基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题,并且解决问题的速度大大提高。2.2计算模型(1)本构模型的选取本文数值计算选用Mohr-Coulomb模型。Mohr-Coulomb弹塑性模型作为一种传统的弹塑性力学本构模型得到了工程界的广泛应用,该破坏准则与岩石材料实验结果非常接近,其反映的岩土材料破坏特征与材料的实际破
4、坏情况符合。Mohr-Coulomb屈服准则即:(2)地质条件本文以深圳地铁世界之窗站至白石洲站浅埋暗挖地铁隧道地质条件为基础,围岩力学参数见表1。(3)地应力条件建立原始地层模型,四周施加水平位移边界约束条件,顶部为自由边界,底部为固定垂直边界。在重力条件下计算至初始平衡,模拟原始地层应力。(4)模型的建立地铁隧道为马蹄形,净宽5.1m,净高5.4m,初支为格栅钢架和C20喷射混凝土,厚0.3m,钢架间距为0.8m。二衬为C30钢筋混凝土,厚0.3m。取水平方向为X,垂直方向为Y,隧道轴线方向为Z。考虑隧道开挖的影响范围及开挖隧道的对称性,计算范围为开挖隧道的一半作为计算对象,取X×
5、;Y×Z=25m×20m×30m。在上述区域内划分三维有限差分网格。整个模型划分为49830节点,44250个单元。模型的三维尺寸、网格划分和边界条件如图1所示。(5)初期支护模拟在许多隧道数值模拟中2,3,4,初支系统一般模拟为C20混凝土,其弹性模量、泊松比等参数采用普通混凝土的力学参数。但是,喷射混凝土与一般混凝土相比,有着不同的力学特性。一般喷射混凝土的弹性模量比普通混凝土低,塑性较好5,6,7。而采用28d龄期的混凝土强度不符合混凝土强度的时间效应。在工作面开挖的初期阶段,喷射混凝土不能及时提供支护力。只有在施工一段时间后,随着时间的推移,推进距离的增加
6、,喷射混凝土逐渐硬化,才对围岩开始提供支护力。本文主要研究不同开挖步距对隧道稳定性的影响。地铁隧道的施工速度按每天一个循环,即每天开挖、支护0.4、0.6、0.8、1.0、1.2m。本文考虑了喷射混凝土的时间效应,将不同龄期喷射混凝土的强度按照实际的施工过程进行模拟,对喷射混凝土采用Mohr-Coulomb模型。参数见表2。对钢架部位的模拟适当地考虑了拱架的大刚度特性。即对拱架部位的喷射混凝土和钢材按照钢筋混凝土的配筋率进行体积模量和剪切模量的折算。在对钢架部位模拟时,不考虑钢架部位的破坏,采用弹性模型进行模拟。2.3施工过程模拟第一步,先将隧道开挖成台阶状,施加初始支护后,计算至平衡,作为开
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