ADINA浅埋暗挖大型地铁车站设计施工工序优化科研报告.docx
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ADINA浅埋暗挖大型地铁车站设计施工工序优化科研报告
基于数值分析的浅埋暗挖大型地铁车站
施工工序优化研究
摘要
近年来,伴随着城市的飞速发展,人们对公共交通的需求日益增长。
地铁具有运量大、速度快等特点,成为有效解决城市交通问题的手段,并且已经在许多大中城市开始规划建设。
地铁的建设过程中,浅埋暗挖法是被广泛采用的一种施工方法。
在施工过程中,要特别注意施工所引起的沉降。
本文以某地铁车站为背景,分别计算全断面开挖法、台阶法、三台阶七步开挖法、双侧壁导坑法四种施工方法在施工阶段隧道的拱顶位移、地表沉降、最大主压应力。
通过计算得出:
全断面法造成的地表沉降值最大,双侧壁导坑法造成的地表沉降最小。
关键词:
浅埋暗挖隧道数值分析浅埋暗挖工法优化
1、绪论
1.1研究背景及意义
目前,北京、上海、青岛、成都、深圳等大中城市正在完善地铁路网,我国将在21世纪迎来地铁建设的巅峰时期。
在地铁的建设过程中,浅埋暗挖法施工的地下工程具有埋深浅、地层岩性差、周围环境复杂等特点,在各种地下工程中得到广泛应用。
城市地铁暗挖隧道开挖施工不可避免地会引起地表沉降,并可能导致塌陷,地下己有管道破坏以及建筑物、构筑物损坏,这些问题严重影响人民生命财产安全及工程的建设,并造成严重的经济损失和社会影响。
因此,城市中进行地铁隧道施工时,特别注意施工引起的地表沉降。
1.2浅埋暗挖法
浅埋暗挖法适用于不宜采用明挖施工且含水量较小的各种地下地层,且对地面沉降有严格要求的情况时,修建埋置较浅的地下结构工程更为实用。
浅埋暗挖法的技术核心是依据新奥法的基本原理。
施工中采用辅助措施加固围岩,充分调动围岩的自承能力,开挖后及时支护、封闭成环,使其与围岩共同作用形成联合支护体系。
图1.1浅埋暗挖隧道施工过程
1.3浅埋暗挖法施工导致沉降的国内外研究现状
随着地铁隧道浅埋暗挖的施工,隧道开挖会不可避免地扰动附近地层原有的平衡状态,引起应力重分布和地层变形,构成对地表及地表建(构)筑物的附加荷载,并使其发生变形。
地铁隧道浅埋暗挖施工引起的地层应力和变形是造成地表及地表建筑物承受附加荷载、产生附加变形的根本原因。
目前,估算浅埋隧道开挖引起的地层应力和变形,主要的预测方法包括经验法、解析法、数值法和模型试验法。
1.4浅埋暗挖隧道引起地表沉降的原因
目前对于浅埋暗挖隧道开挖施工引起地表沉降的原因分析,主要从施工过程中不同工序从弹塑性变形、失水固结沉降以及固结蠕变等角度考虑。
隧道工程开挖必然产生地层损失,围岩要弥补地层损失,达到一个最终的平衡状态,因而围岩产生向下变形的趋势,造成地表沉降。
隧道开挖产生的地表沉降。
综合浅埋隧道施工引起地表沉降原因变形原因可以从以下三个层面进行剖析:
(1)土层结构与力学性质原因
浅埋隧道施工势必会扰动第四纪沉积表土层,天然第四纪沉积表土层一般是由矿物颗粒构成骨架体,孔隙水和气体填充骨架体而组成的三相体系。
外载荷作用在土层上,将产生隙水压力和土体有效应力。
孔隙水压力由静水压力与超孔隙水压力组成。
第四纪表土层的变形是孔隙流体及气体体积减小、颗粒重新排列、颗粒间距离缩短和骨架体发生错动的结果。
空袭压力降低的过程,一方面取决于土的渗透性,另一方面取决于在土中的位置。
粘土的渗透系数很低,固结过程很长。
土体受外力后,土粒和孔隙中的流体均将发生位移。
当浅埋暗挖隧道施工扰动时将压力传递给上部土体,土体内部将发生应力变形。
从而引起地表下沉。
(2)岩层性质与地质构造原因
浅埋暗挖隧道的岩石层的沉降与岩层性质、地质构造特点有直接关系。
岩石在长期的地质演变中产生出褶皱、裂隙、断层等地质构造。
褶皱是岩石在构造中受力形成的连续弯曲变形。
岩石中沿断裂面没有位移的断裂为裂隙。
褶皱岩层核部产生许多裂隙,而背斜顶部岩层易塌落,向斜核部是储水丰富的地段,地铁隧道中易发生岩层的塌落、漏水及涌水。
地铁隧道与褶皱走向一致时建筑中易发生岩层顺层滑动。
断层是两盘岩石沿断裂面发生位移的断裂,一般伴有几米到几十米的岩石破碎带。
地铁隧道工程通过断裂带时易发生坍塌,车站建筑物易发生不均匀沉降等。
(3)认为因素层面原因
浅埋暗挖隧道施工地表沉降除了土层、岩层等地质条件原因以外,还有人为层面的原因,包括隧道埋深的选择、断面尺寸、断面形状、开挖方式、支护形式与支护参数等因素。
1.5本文研究的主要内容
利用有限元软件ADINA建立二维模型,输入岩体的相关物理力学参数建立该工程的计算模型并进行数值分析,同时针对各种施工方法分别进行模拟计算,并对各工法开挖结束后隧道拱顶内位移、地表沉降、最大主压应力三方面进行比较。
2.浅埋暗挖地铁车站的数值模拟
2.1工程概况
该地铁车站毛洞跨度21.60m,高度15.50m,埋深15.10m.该段岩体节理裂隙较发育,对拱顶的围岩稳定影响较大,围岩级别为Ⅳ级。
初期支护采用C20喷射混凝土厚30cm,二次衬砌采用C20混凝土厚70cm。
2.2ADINA软件介绍
非线性有限元分析软件ADINA(AutomaticDynamicIncrementalNonlinearAnalysis)是美国ADINAR&D公司的产品,是基于有限元技术的大型通用分析仿真平台,其广泛应用于研究机构、工业领域和教育机构。
K.J.Bathe博士及其研究小组于1975年开发出ADINA有限元分析软件。
ADINA除了求解线性问题外,还要具备分析非线性问题的强大功能,即求解结构以及涉及结构场之外的多场耦合问题是软件开发者的最初目标。
增量法是数值求解非线性物理问题的最本质方法,对非线性物理问题,计算解逼近真实解的过程是通过控制增量逐步实现的,这种增量通常是载荷或时间量。
ADINA开发的最初目的即是求解非线性问题,这也是ADINA软件一直保持和众多用户推崇的最大特点。
ADINA系统由以下模块组成:
ADINA-AUI:
前后处理模块;ADINAStructure:
结构分析模块;ADINA-CFD:
计算流体动力学分析模块;ADINA-Thermal:
热分析模块;ADINA-FSI:
流体/结构耦合分析模块;ADINA-TMC:
热/机械耦合分析模块;ADINA-M:
Parasolid高级建模模块。
2.3工法介绍
2.3.1全段面法
全断面开挖法是按设计断面将隧道一次开挖成型,再施作支护和衬砌的隧道开挖方法,一般适用于地质条件较好的Ⅰ~Ⅱ级围岩,也可用在单线铁路隧道Ⅲ级围岩地段。
常规地质法适用于为近期开挖、支护提供预报(设平导时视超前正洞的长度)。
开挖面围岩级别、岩性、围岩风化变质情况、节理裂隙、产状、地下水等情况进行观察和测定后,绘制地质素描图,通过开挖后利用罗盘仪、地质锤、放大镜、皮尺等简单工具对洞内围岩地质特征变化分析来推测开挖面前方的地质情况,据以指导施工。
全断面开挖法施工控制要点:
(1)配备钻孔台车或多功能台架及高效率装运机械设备,缩短循环作业时间,合理采用平行交叉作业工序,提高施工进度。
(2)利用深孔爆破增加循环进尺,控制周边眼间距及角度改善光面爆破效果,减少超欠挖。
(3)及时施做初期支护,围岩条件变化时及时调整施工方法。
(4)有条件时采用导洞超前的开挖方法,合理组织施工保证隧道施工安全。
(5)二次衬砌及时施作,I~Ⅱ级围岩距掌子面距离≤200m,Ⅲ级围岩≤120m。
优点:
开挖断面与作业空间大、干扰小;有条件充分使用机械,减少人力;工序少,便于施工组织与管理,改善劳动条件;开挖一次成形,对围岩扰动少,有利于围岩稳定。
2.3.2台阶法
隧道台阶法将上半断面和下半断面两次开挖成型,适用于有足够的施工空间和施工速度,上部开挖支护后,下部施工较安全,但上下部同时作业互有干扰,用于全断面开挖法中开挖面不能自稳但围岩坚硬不用底拱封闭的情况。
根据围岩种类的不同,台阶法分为三种:
长台阶法(适用于Ⅲ、Ⅳ级围岩)、短台阶法(适用于Ⅳ、Ⅴ级围岩)、超短台阶法(适用于土质地层及膨胀性围岩),需根据不同的施工要求选取台阶长度。
一般来说由以下两个条件来决定:
(1)围岩越差,要求初期支护的闭合时间越短,台阶长度也要求越短;
(2)施工机械效率越高要求台阶越长。
对于软弱地层一般台阶长度大约为1B到5B(B为洞宽),而在土质地层台阶长度一般为3到5m。
2.3.3三台阶七步开挖法
“三台阶七步开挖法”,是以弧形导坑开挖预留核心土为基本模式,分上、中、下三个台阶七个开挖面,各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。
优点:
施工空间大,方便机械化施工,可以多作业面平行作业。
部分软岩或土质地段可以采用挖掘机直接开挖,工效较高。
在地质条件发生变化时,便于灵活、及时地转换施工工序,调整施工方法。
适应不同跨度和多种断面形式,初期支护工序操作便捷。
在台阶法开挖的基础上,预留核心土,左右错开开挖,利于开挖工作面稳定。
当围岩变形较大或突变时, 在保证安全和满足净空要求的前提下,可尽快调整闭合时间。
2.3.4双侧壁导坑法
在开挖导坑时,尽量减少对围岩的扰动,导坑断面近似椭圆,周边轮廓圆顺,避免应力集中。
初期支护采用格栅钢架或型钢钢架、挂钢筋网片、喷混凝土柔性支护体系,及时施作,使断面及早闭合,以充分利用围岩的自承能力,控制围岩变形。
建立一整套围岩支护结构监控量测系统,进行信息化施工管理,随时掌握施工过程中的动态变化,合理安排,调整施工工艺和设计参数,确保施工安全。
优缺点:
(1)双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为短台阶法的1/2;
(2)双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多,扰动大,初次支护全断面闭合的时间长,但每个分块都是在开挖后立即各自闭合的,所以在施工中间变形几乎不发展;
(3)双侧壁导坑法施工安全,但需要用临时仰拱封闭,工序繁多,施工速度慢,成本较高。
此外开挖步长也是影响地表沉降的重要因素之一。
“短开挖、快封闭”是新奥法的原则之一,开挖步长越长,开挖面的围岩暴露的时间也就越长,封闭时间也就越长,产生沉降的时间也就越长,从而最终的沉降量会越大。
2.4数值分析过程
2.4.1施工建模
由于围岩物理性质的差异性较大,因此为了使分析更加有效,故作以下假定:
(1)假设围岩是均匀、连续的各向同性介质;
(2)采用摩尔-库伦(M-C)准则来描述岩体的特性,它能较好地描述岩土材料的强度特性;
(3)围岩应力按开挖后释放50%,初次支护完成后释放50%的过程进行计算;
通过计算全断面开挖法、上下台阶法、三台阶七步开挖法、双侧壁导坑法对开挖过程进行分析,分析对比的内容有:
隧道内拱顶位移、围岩应力、地表沉降三个方面。
以上四种工法的计算模型图如下:
图2.1全断面法的计算模型
图2.2台阶法的计算模型
图2.3三台阶七步开挖法的计算模型
图2.4双侧壁导坑法的计算模型
2.4.2原始应力场
隧道施工是在具有一定的应力历史和应力场的围岩中修建的,围岩的初始应力场的状态极大地影响着在其中发生的一切力学现象,这是和地面工程极其不同的。
初始应力场指隧道开挖前岩体的初始静应力场,它的形成与岩体构造、性质、埋藏条件以及构造运动的历史等有密切关系。
在隧道开挖前是客观存在的,在这种应力场中修建隧道就必须了解它的状态及其影响。
隧道工程岩体的初应力状态一般受到两类因素的影响:
第一类因素有重力、温度、岩体的物理力学性质、岩体的构造、地形等经常性的因素,称为自重应力;第二类因素有地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素,称为构造应力。
因此,初应力场是由两种力系构成,即
式中:
-自重应力分量;
-构造应力分量。
一般来说,重力应力场可以采用连续介质力学的方法。
它的可靠性则决定于对岩石的物理力学性质及岩体的构造力学性质的研究。
而其它因素造成的初应力场,主要是现场试验方法完成的。
瑞土地质学家海姆通过对大型越岭隧道围岩的工作状态观察,首先提出地应力的概念。
1905年至1912年,海姆假定岩体中有一个垂直应力和水平应力,并认为垂直应力与上覆岩层重量有关,水平应力与垂直应力相等。
l915年瑞典人哈斯特首先在斯堪的纳维亚半岛开创了地应力的量测工作,通过量测与理论分析证明,地应力是个非稳定的应力场,它是时间与空间的函数。
地应力着重考虑重力和构造应力,但由于地下工程所处范围内情况十分复杂,对构造应力目前尚难完全搞清楚,因此目前主要研究岩体重力所形成的应力场。
对于需要确切了解包含有构造应力的地应力,一般宜通过实地量测加以确定。
对于连续介质模型,在计算范围的边界上作用有初始地应力场,根据地应力场的成因将其分为自重应力场和构造应力场两大类。
由于缺乏地应力量测资料,且埋深较浅,取自重应力场作为初始应力场。
本文中的初始地应力场采用ADINA提供的InitialGeologicalStress模式导入。
在2D的单元中,通常只需要指定模型中的参数A、B和C即可。
2.4.3材料参数的选取
表2.1围岩物理力学指标
围岩级别
容重(kN/m3)
弹性模量(Gpa)
泊松比
内摩擦角
(°)
粘聚力
(Mpa)
Ⅳ
26
1.0
0.35
27.
0.5
2.4.4模型的计算
模型的底部计算范围为:
4D(D为隧道洞宽),两侧的范围为5D,顶部取至地面。
边界条件采用位移边界条件,左右水平约束,底部竖向约束,顶面自由。
模型的计算步骤为:
(1)按照模拟的范围建立有限元模型,同时定义模型各个边界的边界条件、重力荷载和材料属性等,并施加初始应力场(用来平衡重力场);
(2)利用ADINA支持模型中存在重复单元的单元生死定义,处理复杂的开挖支护过程的模拟;
(3)用ADINA自带的后处理程序对计算结果进行分析。
2.5计算结果
2.5.1最终位移云图
图2.5全断面法位移云图
图2.6台阶法位移云图
图2.7三台阶七步开挖法位移云图
图2.8双侧壁导坑法位移云图
2.5.2隧道拱顶位移
表2.2各工法拱顶位移值
施工方法
全断面法
上下台阶法
双侧壁导坑法
三台阶七步开挖法
拱顶内位移(mm)
-12.71
-8.81
-5.23
-7.58
在开挖结束后,比较隧道拱顶内位移:
全断面法施工引起的拱顶位移最大,位移值为-12.98mm,双侧壁导坑法施工造成的拱顶位移最小,位移值为-5.23mm。
全断面法开挖造成的隧道拱顶位移值约为双侧壁导坑法施工造成拱顶位移值的2.4倍。
2.5.3地表沉降
通过采集四种施工方法在开挖结束后造成的地表沉降值,得到下图:
图2.9地表沉降-距离关系图
由上图得出:
在隧道开挖结束后,全断面法开挖造成的地表沉降值最大,且影响范围最广,隧道轴线上方的地表沉降值为-10.45mm;双侧壁导坑法施工引起的地表沉降值最小,影响范围最小,隧道轴线上方的地表沉降值为-4.13mm;台阶法和三台阶七步开挖法施工造成的地表沉降值相当。
2.5.4最大主压应力(开挖结束后)
2.5.4.1全断面法
图2.10全断面法第三主应力图
在开挖结束后,断面周边最大应力集中区位于隧道断面顶部,应力集中现象发生在拱肩处。
2.5.4.2台阶法
图2.11台阶法第三主应力图
如图,在开挖结束后,断面周边最大应力集中区位于隧道断面顶部及拱脚处。
在拱肩及拱脚处均发生应力集中现象。
2.5.4.3三台阶七步开挖法
图2.12三台阶七步开挖法第三主应力图
如图,在开挖结束后,断面周边最大应力集中区位于隧道断面顶部及拱脚处。
在拱肩及拱脚处均发生应力集中现象。
2.5.4.4双侧壁导坑法
图2.13双侧壁导坑法第三主应力图
如图,在开挖结束后,断面周边最大应力集中区位于隧道断面四周,且两侧的应力远大于周围岩土体在拱脚处发生应力集中现象
3、结论
3.1最大主压应力
全断面开挖法:
断面周边最大应力集中区位于隧道断面顶部,应力分布是四种工法中最简单的;台阶开挖法:
断面周边最大应力集中区位于隧道断面顶部及拱脚处三台阶七步开挖法:
断面周边最大,应力集中区位于隧道断面顶部及拱脚处;双侧壁导坑开挖法:
断面周边最大应力集中区位于隧道断面四周,且两侧的应力远大于周围岩土体。
3.2地表沉降
1.由以上四种工法对比可知:
四种工法下地表沉降的大小为:
双侧壁导坑法<三台阶七步开挖法<台阶法<全断面法。
在四者中,全断面开挖法的开挖面最大,对周围围岩的扰动范围也最大,最终地表沉降量也就越大,而双侧壁导坑法每次开挖的面积最小对周围围岩的扰动范围也越小,最终的沉降量也就最小。
2.由以上四种工法的土层最终位移可以看出:
在隧道中心线上方沉降较为值突出,远离隧道中心线的测点沉降值较小,横通道上方地表沉降成扁漏斗状。
横向影响范围由隧道中心向外呈缓慢衰减,影响大约达到隧道洞宽的2倍范围。
参考文献
[1]ADINA应用基础与实例详解.人民交通出版社.岳戈主编.
[2]地下铁道.西南交通大学出版社.高波主编.
[3]孙飞.复杂地质条件浅埋暗挖地铁隧道施工地表沉降及控制技术研究[M].大连:
大连大学研究生论文.
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- ADINA 浅埋暗挖 大型 地铁 车站 设计 施工 工序 优化 科研 报告