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地铁车站站后折返区间浅埋暗挖开挖过程的模拟研究

 

摘要:运用FLAC3D软件,结合北京天坛东门地铁车站站后折返区间具体工程条件,折返区间在采用双侧壁导坑法开挖的情况下,对不同的局部开挖顺序进行了数值模拟研究,得出了先同时开挖双侧洞,待支护、建筑完后,再开挖中洞的方法,对地表沉降影响及周围土体扰动均比较小为最优方案,为此类工程设计提供了理论依据。

关键词:浅埋暗挖　双侧壁导坑法　开挖顺序　FLAC3D模拟

 

      在地下隧道开挖中,有关开挖顺序的优化分析是一重要的研究课题[1]。随着开挖面的推进,如何尽量保持岩土体的初始状态,减少对岩土体初始状态的扰动,保持围岩处于相对稳定状态及不发生过大位移是工程中密切关注的问题。它涉及到地下工程开挖方式的选择,开挖空间的利用,最佳支护方式、支护参数及支护时机的确定等因素。因此针对具体的岩土体研究不同的开挖方式下围岩的应力及位移状态,对分析围岩稳定性及推动地下工程施工力学的发展有着重要的意义。在浅埋暗挖地铁工程施工中,横断面多采用分部开挖,其应力、位移释放规律也比较复杂[2],在横截面上各部分土体不同的开挖顺序对地表及围岩的影响这方面有一定的研究[3,4],但在横截面各部分土体开挖顺序确定的条件下,各部分土体在纵向的开挖进度对地表及围岩影响的研究却比较少。本文结合天坛东门站站后折返区间工程实例,模拟计算在纵向上不同开挖进度情况下,地表及围岩位移变化规律,以指导隧道工程设计与施工。

1 工程概况

      北京地铁5号线是一条纵贯京城南北的交通大动脉,天坛东门站位于这条大动脉的南端,周围古建筑较多,交通比较繁忙,施工方案采用浅埋暗挖法施工,站后折返区间是两平行地铁隧道的连接通道,通过折返区间,列车可在这两条隧道上调换,由于区间功能的需要,折返区间跨度较大,最大断面跨度为23.6m,高8.924m,纵向长32.943m,高跨比为0.378,为扁平结构,见图1。

2 开挖方案数值模拟

      FLAC(拉格朗日元法)是目前世界上优秀的岩土力学数值计算软件系统之一,FLAC3D是一种三维显式有限差分程序,其基本原理和算法与离散元法相似,它运用节点位移连续条件,可对连续介质进行大变形,基于显式差分法求解运动方程和动力方程,FLAC3D提供了梁、桩、锚杆、壳体等多种结构单元,非常适合于研究隧道开挖等岩土工程问题[5]。

2.1 模型及边界条件

      在开挖过程中,地面横向受影响范围一般为开挖掌子面洞径3倍的范围。在无水、少水情况下,地面横向沉降范围一般认为等于结构埋深,也就是从结构物边横向向外结构埋深宽度[6]。工程中侧洞开挖断面跨度为7.4m,受开挖扰动的横向范围主要在侧洞外24m之内。结构覆盖土层厚度12.54m,结构底拱埋深21.5m。综上所述,考虑到中洞开挖对两侧土体的扰动和模型边界条件的影响,确定计算模型宽90m,高50m,纵向沿着隧道方向长度40m。由于内部结构相对于整个模型显得太小,为了更清晰显示内部结构,从而未显示外围土体,见图2。

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