重慶輕軌大坪車站隧道暗挖段施工方法數值優(yōu)化分析

1、重慶輕軌大坪車站隧道暗挖段施工方法數值優(yōu)化分析【摘要】用有限元數值分析方法計算分析了超淺埋大斷 面暗挖段車站隧道的各種施工方法下的力學行為，根據計算 力新選擇了合理的施工方法，施工實踐證明根據這種分析選 擇的施工方法是可行并可靠的。 【關鍵詞】 大斷面隧道施工方 法有限元優(yōu)化分析 1 工程概況重慶輕軌大坪車站隧道暗挖段，其起訖里程為 DK7+658 20-DK7+739 50 ，全長為 813m ，設計縱坡 為 3%。其中 DK7+658 . 20-DK7+701. 00 段洞頂巖土體厚4- 10m，為W級圍巖，成洞條件很差，為超淺埋地段；DK7+701.00 DK7+735 .00 段洞頂巖

2、土體厚 10 15m ,W級圍巖，成洞條件差，屬淺埋地段； DK7+735 00DK7+739 50 段頂巖 土體厚 15-25m ， 巖層節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體完整性較好，為川級圍巖，為淺埋地段。襯砌斷面均采用大拱腳薄邊墻隧道結構，邊墻底部 開挖寬為 21 88m ，隧道開挖高為 17 86m ，開挖面積達 最大為 430 平方米，拱墻采用 C30 鋼筋混凝土；水溝、鋪底 均采用 C20 混凝土；防水層采用 1 5mm 厚 EVA 高強度型 合成樹脂防水卷材；環(huán)向施工縫采用 BW-96 型膨脹止水條， 襯砌背后設地下排水軟式透水管盲溝，環(huán)向盲溝采用中50mm 、間距 8m ，縱句采用中 80m

3、m ，左右各設 根；襯 砌初期支護：工字鋼拱采用 20b 工字鋼，間距為 0 5m ，系 統(tǒng)錨桿采用$ 25中空注漿錨桿，每根長 3 . 5m ,川類圍巖 I 砸為 1 0mxl 0m ，按梅花型布置；鋼筋網采用環(huán)向x縱向為 +6 5x+8 鋼筋，間距為 20cmx20cm ，噴射混凝 土采用 C20 混凝土。由此可見，大坪車站隧道暗挖段屬于超淺埋暗挖大斷面 隧道，為了確定合理的施工方法，在經驗類比的根底上確定 采用分步暗挖的施工方法，為了m- 步確定各分步的先后順序，特別是拱部開挖的順序，以及是否用管棚進行拱部的支 護，用有限元力、法進行了計算分析，得出了相對優(yōu)化的施 工方法。2 數值優(yōu)化分

4、析有限元計算分成 4 種工況， 4 種工況的主要施工順序及 步驟見圖 1 。工況的不同只是拱部各局部的施工順序和步驟不同，以及是否采用管棚。下面簡述各工況的施工順序。工況 1 ：在拱部施工支護只施作噴混凝土，而不施作錨桿和管 棚 (只噴不錨 )。計算時模擬步驟為(1) 左右導洞 1 、 1 '開挖，同時施作左右導洞 1、1'拱 部噴混凝土及中隔壁型鋼鋼架噴射混凝土；(2) 中隔壁 3 開挖，中隔壁拱頂噴混凝土；(3) 拱部混凝土 5 澆注；(4) 下半斷面中槽 6 開挖；圖 1 車站隧道雙側壁導洞法施工程序圖(5) 下半斷面左右側上臺階 7、7'開挖，同時做 8、8&#

5、39; 噴昆凝土支護；(6) 下半斷面左右側上臺階 9、9'開挖，同時做 10 、10 ' 嘯， 8 凝土支護；(7) 澆注左右側邊墻 11、11 '混凝土。工況 2 ：在拱部施工支護施作噴混凝土和錨桿，而不沲作管棚 (普通噴錨、無管棚 )：計算時模擬步驟為：(1) 施作左右導洞 1、1'拱部噴混凝土、 錨桿， 左右導洞 1、1'開挖，同時施作中隔壁型鋼鋼架噴射混凝土；(2) 中隔壁 3 開挖，中隔壁拱頂噴混凝土和錨桿；(3) 拱部混凝土 5 澆注；(4) 下半斷面中槽 6 開挖；(5) 下半斷面左右側上臺階 7、7'開挖，同時做 8、8'

6、; 噴混凝土支護；(6) 下半斷面左右側上臺階 9、9'開挖，同時做 10 、10 ' 噴混凝土支護；(7) 澆注左右側邊墻 11、11 '混凝土。工況 3 ：在拱部施工支護施作噴混凝土和錨桿，并施作管棚 (噴錨 +管棚)：計算時模擬步驟為；(1) 左右導洞 1、1'開挖，同時施作左右導洞拱部噴混凝 土、錨桿和管棚及中隔壁型鋼架噴射混凝土；(2) 中隔壁 3 開挖，中隔壁拱頂噴混凝土、錨桿和管棚；(3) 拱部混凝土 5 澆注；(4) 下半斷面中槽 6 開挖；(5) 下半斷面左右側上臺階 7、7'開挖，同時做 8、8' 噴混凝土支護；(6) 下半斷

7、面左右側上臺階 9、9'開挖，同時做 10 、10 ' 噴混昆凝土支護；(7) 澆注左右側邊墻 11、11 '混凝土。工況 4 ：在拱部施工支護惋作噴混凝土和錨桿，并施作管棚(噴錨+管棚)。但開挖順序與工況 3 不同，計算時模擬步 驟為：(1) 中隔壁 3 開挖，中隔壁拱頂噴混凝土、錨桿和管棚；(2) 左右導洞 1、1'開挖，同時施作左右導洞拱部噴混凝 土、錨桿和管棚及中隔壁型鋼鋼架噴射混凝土；(3) 拱部混凝土 5 澆注；(4) 下半斷面中槽 6 開挖；(5) 下半斷面左右側上臺階 7、7'開挖，同時做 8、8' 噴混凝土支護；(6) 下半斷面

8、左右側上臺階 9、9'開挖，同時做 10 、10 ' 噴混凝土支護；(7) 澆注左右側邊墻 11 、 11 '混凝土。 22 計算參數4 種工況計算均采用彈塑性平面應變模型進行計算分析， 圍巖、錨固范圍、管棚用平面 4 邊形單元彈塑性材料模擬，采用 Drucker-Prager 屈服準那么； 混凝土襯砌、 噴混凝土、 中隔壁型鋼噴混凝土采用梁單元彈性材料模擬。圍巖采用IV級圍巖的參數，管棚、錨桿均根據其作用的等效原那么來考慮， 即提高圍巖的粘聚力和摩擦角來替代錨桿的作用，襯砌采用C30 涸疑土的材料參數， 噴混凝土采用 C20 噴混凝土的材料 參數。具體計算參數見表 1

9、 。在計算分析中，采用一個共同的模型進行分析，不同工 況在求解過程中用不同的開挖命令流來控制。計算范圍橫向取開挖寬度的 5 倍。計算邊界條件左右兩 個側面限制水平方向位移 等于 0 ，界限制 Y 方向的位移 等 于 0 。見圖 2。計算模型及有限元網格劃分見圖3。圖 2 計算模型與邊界條件圖 3 計算模型與網格劃分3 計算結果與分析對工況 1- 工況 4 進行計算，各種工況開挖完成后的地表 位移和拱頂下沉計算結果見表 2 。從計算結果說明：工況 1 計算不收斂，說明假設只噴不 錨，開挖后，圍巖不能穩(wěn)定，所以這種施工方法最好不要選 擇。工況 2 地表沉降明顯比工況 3 和工況 4 大，且超過了地 表沉降的最大限值 (3cm) ，雖然能夠穩(wěn)定， 但這種地表位移和 拱頂下沉計算結果方法也應慎重選擇。工況 3 和工況 4 能夠 穩(wěn)定，地表沉降都較小，且小于地表沉降的最大限值 (3cm) ， 但工況 3 與工況 4 比擬，工況 4 的最大地表沉降要大于工況 3，因此，采用工況 3 的這種施工方法， 即在拱部施工支護施 作噴混凝土和錨桿，并施作管棚 (噴錨+ 管棚)，且先開挖兩側 導坑，這種施工方法更為合理。為了了解各步開挖的力學行為