地铁隧道支护系统的数值模拟研究
摘 要:对CRD 工法和短台阶施工法这两种较为常用的施工形式及其所采用的支护方式用FLAC 进行了数值模拟,分析不同的支护参数对隧道周边应力场和位移场的影响,得出了有关塑性区分布与支护方式之间的关系,并对各类支护方式进行了比较与分析。
关键词: 地铁隧道; FLAC ; 数值模拟
1 引言
广州地铁地处珠江三角洲地区,隧道所在地层软硬程度不一,其物理力学性能参数比较离散,而且地下水丰富。地层上部为第四系海陆交替相沉积及河流冲积等土层包括松散的人工填土层、淤泥以及淤泥质土层和冲～ 洪积土层。下赋岩层却为强度和硬度都较大的花岗岩,包括全风化带、强风化带以及中风化和微风化带,特点就是岩质坚硬。
总之,地铁三号线沿线各段的地质条件差别较大,有的地段处于软土地层中,而有的地段处于半土半岩的地层中,且岩石的强度还很大。在这样的地层中进行隧道的施工是比较困难的,尤其是其支护的形式要不断地根据周围的围岩状况进行调整。具体施工时虽然强化了监控量测的作用,以测量的结果随时修正各类参数,但基本上还是沿袭了初步设计里面的相关内容,并没有从实质上真正根据量测的数据来采取相应合理的支护形式,也就是说整个区间隧道基本上就采用了一种或两种支护方案, 这显然不能满足隧道周边围岩变化多端的要求。本文的主要内容是针对某一围岩情况,模拟不同的支护形式和支护参数,分析其对隧道周边位移和应力场的影响,寻找一种合理的支护方式来满足地铁隧道关于安全性和耐久性的要求。
2 模型建立
2.1 计算软件
针对隧道的某一横断面,轴向影响可以忽略不计,可看做是一平面应变问题, 在本文中选择FLAC22D 差分计算程序作为模型分析软件。
该程序采用拉格郎日元法,利用节点位移连续条件,对连续介质进行大变形计算与分析。在计算过程中将计算区域划分为若干网格(单元),每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系。在求解大变形时,因为每一时步的变形很小,可近似采用小变形的本构关系和一些理论与定理,最后将各时步的变形叠加,即得到大变形的结果。
FLAC 提供了多种弹塑性材料本构模型,可对弹性模型、摩尔—库仑模型、砌体节理模型、应变软化和强化等多种材料进行模型,利用空单元来模拟地下开挖;有静力、动力、蠕变、渗流、温度等计算模式,并且各种模式之间可以相互耦合,以用来模拟各种复杂的岩土和土木工程问题。可模拟地应力场的生成、边坡或地下洞室的开挖、混凝土衬砌、锚杆或锚索的设置、地下渗流等。程序内还设置了多种结构形式,如岩体、土体等其他材料实体,梁、柱、壳以及人工结构,如支护、衬砌、锚杆、锚索、摩擦桩、板桩等。其中的压杆 梁单元,可用来模拟地面开挖时的撑杆以及巷道工程中的混凝土衬砌; 锚杆单元则可以是定点锚固,也可以沿全长砂浆锚固,还可用于模拟预应力锚索等拉张或压力作用的支护构件。
2.2 网格划分与边界条件
2.2.1 计算条件及计算范围
计算过程中不可取一个无限体来分析,由工程经验知,在距开挖面隧道直径的4 倍处可忽略边界条件的影响。所模拟的隧道直径大约为7～10m , 所以计算模型长度取110m ,高度取57m ,其中隧道埋深约为17m。
2.2.2 单元的划分
采用矩形单元,在隧道断面处进行局部加密, 共划分成400 ×320 个单元。
2.2.3 边界条件
模型两侧的边界条件为限定水平移动的滑动支撑,模型底部的边界条件为限定垂直位移的滑动支撑,模型上部为自由边界,如图3.1 和图3.2 所示。
图1 单洞单线并行隧道计算模型
图2 大跨度隧道计算模型
2.3 模型物理力学参数与屈服准则
2.3.1 物理力学参数的选取
在选用岩土计算参数时,要剔除岩体与实验岩块间尺寸效应的影响,可取实验参数的1/ 10～1/ 5 作为计算参数。
2.3.2 屈服准则
该计算以广州地铁三号线为背景,对单洞双线和单洞单线并行隧道分别进行计算分析,施工方法采用新奥法,衬砌为复合式衬砌。针对不同的围岩类别和不同的岩土材料采用不同的力学计算模型。
对Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类围岩,主要是由填土、砂层及岩石风化后的产物组成,塑性较强的弹塑性地质材料,土的性质比较突出,在材料达到屈服极限后, 可产生较大的塑性流动。对这几类材料选用摩尔库仑(Mohr2Coulomb) 屈服准则来对其进行模拟。
2 1 + sinφ 1 + sinφ
fs =σ1-σ3 1 -sinφ + 2 c
1 -sinφ
ft
=σ1-σ3 其中:σ1 、σ3 分别为最大、最小主应力, c 为粘聚强度, < 为内摩擦角,σ为受拉强度。
t 当fs < 0 时材料将发生剪切破坏,材料在达到屈服极限后,在恒定的应力水平下产生塑性流动。在拉应力状态如果拉应力超过材料的抗拉强度即: ft < 0 时,材料发生拉破。
在Ⅳ类和Ⅴ类围岩中,主要是岩石类材料,岩石的性质较为明显,可以采用应变软化准则来进行模拟和分析。在这一准则中,屈服函数、势函数、塑性流动法则以及应力修正与摩尔一库仑准则是完全一致的,不同之处就是粘聚强度、内摩擦角、剪涨角和抗拉强度等在通过塑性屈服点以后,在应变软化模型中会出现软化现象。
隧道的支护采用锚杆和复合式衬砌,其中锚杆用杆单元进行模拟,复合式衬砌主要是混凝土构成,其变形也遵循摩尔2库仑屈服准则。
2. 4 计算方案与模拟方法
隧道周边的应力场、位移场以及其他参数不仅受地质情况、锚杆、衬砌等因素的影响,而且还受施工方法的制约。所以,根据隧道所处地段的地质状况、隧道跨度、施工方法以及所采用的支护措施制定以下计算分析方案,并将不同方案下的计算结果进行比较分析。
(1) 围岩类别为Ⅰ类和Ⅱ类,中等跨度,CRD 工法施工,采用<42 超前小导管注浆,长度L = 4. 5m , 环向间距0. 35m ,纵向间距3. 0m ; 全环格栅钢架, 间距0. 6m ; 拱墙WTD25 中空注浆锚杆,长度L=
3. 5m ,间距0. 8 ×0. 6m ,菱形布置;全断面单层设置
钢筋网,规格Φ8 ×Φ8 ,间距150 ×150mm。初衬采用C20 ,S6 喷射早强砼,厚度350mm ;二衬是模筑C25 ,S8 钢筋砼,厚度600mm 。
(2) 围岩类别为Ⅰ 类和Ⅱ 类,中等跨度,CRD 工法施工,采用<108 热扎无缝钢管大管棚注浆,钢管壁厚8mm , 双排布置,上下排距1000mm , 上排间距414mm , 下排间距399mm , 管棚长度2. 5m , 外插角1°。其余参数同(1) 。
(3) 围岩类别为Ⅰ 类和Ⅱ 类,小跨度,台阶法施工,采用<42 超前小导管注浆,长度L = 4. 5m , 环向间距0. 40m , 纵向间距3. 0m ; 全环格栅钢架,间距1. 0m ; 拱墙设置中空注浆锚杆;单层全断面设置钢筋网,规格<6. 5 ×<6. 5 , 间距150 ×150mm 。
初衬采用C20 ,S6 喷射早强砼,厚度350mm ; 二衬是模筑C25 ,S8 钢筋砼,厚度600mm 。
(4) 围岩类别为Ⅰ 类和Ⅱ 类,小跨度,台阶法施,采用热扎无缝钢管大管棚注浆,双排布置,上下排距800mm , 钢管长度2. 0m 。其余参数同(3) 。
3 计算结果
在计算结果中选择隧道周边塑性区分布情况来分析应力场。由于计算中未考虑水平荷载的影响,故只选择垂直位移曲线来查看隧道周围的位移趋势。有关计算结果如下:
3. 1 隧道周边塑性区分析
图1 方案一塑性区分布图
图2 方案二塑性区分布图
由图1 和图2 可以看出: 对于大跨度的隧道, 管棚注浆较小导管注浆会使得塑性区的范围有所减小,锚杆端点的受力降低,但塑性区的总体形状以及出现剪切塑性的位置基本上是不变的。
同时,通过比较图3 和图4 , 对于单洞单线的小跨度隧道,同样会出现与大跨度隧道相类似的结果。再分别比较图1 和图3 以及图2 和图4 , 可以得出:跨度不同,施工方法不一致同样会使得塑性变点,这更有利于隧道的支护。
图3 方案三塑性区分布图
图4 方案四塑性区分布图区的分布产生变化。因此,在跨度不变的情况下,采用同一种施工方法时,用强度较大的管棚注浆并不能从根本上改变塑性区的分布形式,仅使其范围会有所减小,同时锚杆端头的受力有所降低。反之,如果考虑隧道跨度的影响,那么小跨度将更有利于隧道的支护, 在同等条件下,小跨度隧道更容易施工和维护。
3. 2 位移场分析
模拟计算时未考虑水平构造应力,只分析对垂直下沉量的影响。
图5 方案一隧道周边垂直位移
对图5 和图6 进行比较,可以看出: 在大跨度下管棚注浆可以明显减少隧道上方的垂直下沉量, 从15mm 减少到12 . 5mm 。但对最大值出现的位置没有影响。
再对图7 和8 进行比较,同样可以得出以上结论,并且垂直下沉量减少的程度大于在大跨度下的情况。所以,管棚注浆对控制隧道上方的下沉量是
图6 方案二隧道周边垂直位移
图7 方案三隧道周边垂直位移
图8 方案四隧道周边垂直位移非常有效的,尤其是在小跨度的情况下效果更加明显。
同时,还可以看出:在采用同一种注浆方式下, 小跨度可以有效地控制拱顶下沉。因此在条件允许的情况下尽量选用小跨度隧道,这样不仅可以节省大量的支护材料,并且在同等条件下施工将会更加容易,还能有效地满足隧道的安全性和耐久性等方面的要求。
另外,通过对分析其他力学因素,在施工过程中还应注意以下问题:
(1) 施工过程中无论是采用CRD 法还是短台阶法,都要密切监测围岩的变形情况,掌握好初期支护和二衬的施做时机,防止过迟或过早,要充分发挥围岩的自承能力。
(2) 在采用分部开挖时,下半断面支护的施做要及时,防止由于下半断面的施工而造成上半断面支护的悬空。
(3) 在采用CRD 工法施工的隧道,初衬和临时支撑连接处受力较大,施工时要加强此处的支护。
(4) 二衬在受力变形过程中,在拱顶、仰拱跨中以及抑拱和边墙相连接的地方受力较大,施工时上述地点的支护要加强。
(5) 采用CRD 法施工时,临时支撑的一次拆除长度要加以控制,防止临时支撑拆除后围岩产生较大的变形。
4 结论
大强度支护系统并不能从根本上改变塑性区的分布形状,但会减小塑性区的分布范围: 小跨度隧道的塑性区较大跨度隧道分布的均匀,一般受载情况下不会出现突变点:大强度支护可有效地抑制隧道拱顶的下沉,尤其对于小跨度隧道效果更加明显。
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