洞桩法的三维模拟

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1、收稿日期：2007-05-24 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50704012)，辽宁省博士启动基金资助项目(20061017)。 作者简介：祖国胤(1977-),男,黑龙江齐齐哈尔人,东北大学讲师,博士; 于九明(1944-),男,河北滦县人,东 北大学教授.沈阳地铁中街站浅埋暗挖洞桩法沈阳地铁中街站浅埋暗挖洞桩法三维数值分析三维数值分析宋建 霍延朋 （东北大学 资源与土木工程学院）摘摘 要：要：本文结合沈阳地铁中街站的工程实例，采用 FLAC3D 软件对隧道浅埋暗挖洞桩法的施工进行三维数值模拟，从地表沉降、地层应力、支护结构受力等方面对其的稳定性做了系统的分析研究，得到沈阳中街站在开

2、挖过程中的应力、应变的变化规律，以期对洞桩法的进一步推广起指导和推动作用。关键词：关键词：施工；稳定性；地表沉降；数值分析随着我国地铁的大规模建设，地 铁车站施工技术也不断进步，洞桩法 就是在传统浅埋暗挖法的基础上创新 地吸收盖挖法的技术成果形成的新工 法。它主要适用于少水软岩或土质地 层的单跨、双跨或多跨结构施工。1 工程概况沈阳地铁中街站取材于沈阳地铁 一号线一期工程，是沈阳市重点工程， 中街站位于沈阳市沈河区朝阳街与中街步行街交叉口，沿中街步行街东西 向布置，与规划四号线在交叉路口十 字换乘。车站计算站台中心里程 DK17+984.267，起讫桩号分别为 DK17+880.567DK18

3、+104.267，全 长 223.7m。车站大部分以 2的纵坡 由西向东下坡。车站为双层岛式地下 车站，站台宽 11m。车站有效站台中 心处地面高程 51.08m，顶拱覆土 8.56m，轨面埋深 28.25m，底板埋深 26.49m。如图 1 车站结构横断面。图 1 中街站站型 图 2 模型的边界条件2 力学模型的建立2.1 模型选取及边界约束此次中街站模型的计算范围取 为：以老边饺子馆(即 DK17932.367) 向东沿车站纵向取 80m(即 DK18012.367)，上边界取地表，沿地 表向下取 50m，模型宽度取为 150m（为 6D7D，D 为车站跨度） 。 该模型侧面和底面为位移边

4、界（即人 为边界） ，侧面限制水平移动；底部 限制垂直移动。模型上面为地表，取 为自由边界（即真实边界） ，如图 2。2.2 有限单元的选择 根据各材料在施工阶段不同的性 质以及所起到的作用，在 FLAC3D 中 对应的选取相关的模型如下：对复 合式钢格栅混凝土衬砌采用壳单元模 拟；二衬采用实体网格单元模拟； 以取不同的材料参数模拟超前注浆和预加固措施；通过指定区域材料 性能的变化来模拟整个施工过程的进 行。 2.3 模型假定及选取及计算参数的选 取 鉴于土体的性质如各向异性以及 一些不确定的因素等难以建立起和土 体相同的模型，只有在按照力学分析 的各种假设的前提下最大程度的接近 实际模型，而

5、本次计算所采用本构关 系及模型假定如下： 土层材料 采用摩尔-库仑模型计算；强度准则 采用摩尔-库仑准则；没有考虑地下 水渗流在隧道开挖过程中的影响； 地层的应力应变均在弹塑性范围内 变化。 根据沈阳中街地铁车站处的地层 分布状况以及相关的勘察资料，将整 个模型范围的各层土简化为成层均质 水平分布，模型计算所取的地层参数 见表 1。 表 1 计算参数的选取表材料名称厚度 h(m)弹模 E0（MPa）泊松比 u容重（KN/m3）粘聚力 C（KPa）摩擦角 （）杂填土57.940.4520.12613粉细砂919.80.2817.368.830.7中粗砂527.40.2618.1521.534.7

6、砾砂427.40.2618.1521.534.7圆砾14980.23211036砾砂27.40.262021.534.7注浆层2980.23211.810442中板0.453.01040.16725围护桩0.8（直径） 3.01040.16725拱圈0.753.01040.16725钢管柱3.351040.2525钢支撑2.061050.25782.4 网格划分据 FLAC 程序的计算原理，为了减少因网格划分引起的误差，网格的 长宽比应不大于 5，对于重点研究区 域可以进行网格加密处理。本车站模型共 33760 个网格单元，36609 个网 格点。整体的模型网格划分如图 3 所 示，车站开挖后

7、模型如图 4 所示。 图 3 整体模型的网格划分 图 4 开挖后整体的模型3 计算结果分析3.1 地表监测点的布置 为了监测周围土体的变形及应力 变化，在距车站不同位置设置了一系 列地表监测点。各监测点的布置如图5 所示，同时取断面 y=20 处的监测点 （-11.6,20,0） 、 （-5.85,20,0） 、 （0，20，0） 、 （5.85,20,0） 、 （11.6,20,0） ，为了便于下文的描述， 分别命名为 M1、M2、M3、M4、M5。图 5 监测点的布置 3.2 地表沉降 如图 6 所示为地表各监测点的沉 降曲线，由此可以看出最大沉降为 63mm，出现在左测拱顶，各监测点 沉

8、降统计如表 2。综合分析在开挖的 过程中，随着导洞的增多，开挖面积 的增加沉降由开始的平缓急剧的下降， 但在受力体系改变后，在随着 FLAC 模拟计算步数的增加，地层沉降已趋 稳定，同时也可以看到洞桩法对主体开挖施工后期的稳定性提供了可靠的 保障。由表 2 统计的数据可以看到在 小导洞施工阶段和主体拱部初衬施工 的沉降占有的比例较大，其原因主要 表现在两方面：其一是小导洞施工对 土体的扰动次数多；其二为初衬施工 阶段对主体进行大面积的开挖，受力 体系在这个阶段发生了转换，在不同 程度上都对地层产生 了较大的影响。收稿日期：2007-05-24 基金项目：国家自然科学基金资助项目(5070401

9、2)，辽宁省博士启动基金资助项目(20061017)。 作者简介：祖国胤(1977-),男,黑龙江齐齐哈尔人,东北大学讲师,博士; 于九明(1944-),男,河北滦县人,东 北大学教授.图 6 主体施工完成后各监测点的位移沉降曲线表 2 各监测点在各施工阶段地表沉降量统计表监测点 M1监测点 M2监测点 M3监测点 M4监测点 M5序号开挖工况沉降量/mm占最终沉降量的比例沉降量/mm占最终沉降量的比例沉降量/mm占最终沉降量的比例沉降量/mm占最终沉降量的比例沉降量/mm占最终沉降量的比例1小导洞施工2866.7%2641.3%2578.1%2541%2666.7%2底梁、钢管柱、顶梁、围护

10、桩及冠梁施工3311.9%306.34%289.38%284.9%285.1%3主体拱部初衬施工379.6%5844.4%306.25%5945.9%3517.9%4主体拱部二衬施工394.7%614.76%313.1%601.6%362.6%5主体开挖施工427.1%633.17%323.1%611.6%397.7%3.3 地层应力的分析 如图 7 所示为初始地应力，由于 地表的加载不同，同一地层的地应力 也不相同。如图 8 所示，导洞贯通后，在导洞附近的一定范围之内力释放， 在底导洞附近了出现了应力集中区， 和上一阶段相比，最大主应力有所增 大为 6105Pa。图 7 初始地层应力 图 8

11、 导洞开挖后最大主应力的分布图 9 导洞内部的施工 图 10 开挖施工完成后 在导洞内部施工如图 9，即底梁、 钢管柱、顶梁、围护桩及冠梁施工阶 段，在导洞附近的一定范围之内力释 放，在底导洞附近了出现了应力集中 区，和上一阶段相比，对土体的扰动 比较大，地层应力的层次分布更为明 显，模型的底部地应力有所增加最大 值为 9.2105Pa 。 由图 10 可以看到底部应力都明 显的改变，跨中的大面积土体开挖， 使底部出现了约为 0.1MPa 的正应力， 中轴处由于有钢管柱传递了上部土体 的荷载，因而地应力还是表现为负 （即受压） 。4 结论本文以沈阳地铁一号线中街站为 依托，通过数值模拟等手段，

12、并结合 现场监测数据，着重研究了在各施工工况中地表沉降变化以及整个施工过 程中地层应力的变化趋势，同时也对 各个工序进行了探讨，从而可以总结 出各工序对整个施工过程中地层沉降 的影响。通过本次模拟分析和研究， 可以得到对浅埋暗挖洞桩法以下认识：根据数值模拟结果显示，地表 最大沉降为 63mm，而实际监测地表 的最大沉降为 66mm，误差为 3mm， 误差率为 4.5%，表明模型的建立及分 析方法是符合实际的，采用 FLAC3D 软件是科学可行的。根据数值模拟结果表明：模 拟监测点在各阶段的沉降量观测，综 合各点以小导洞施工对地表沉降影响 最大，占最终沉降的 66.7%。 根据数值模拟结果显示，主体 大面积开挖时围岩应力发生了重分布，主要表现在拱部上方局部受压显著增 加，拱部加固区土体压应力最大达 1.75MPa。 根据数值模拟结果显示，主体 开挖施工时，由于大面积的卸载，围 岩应力重分布较为明显，但影响范围 不是很大，地层位移变化也很小，隧 道底部会有 1-2mm 的隆起。 由模拟结果和实测结果可以看 到，中街站运用的洞桩法有效的遏止 地层的沉降，减少了对周围地层的影 响，说明洞桩法在中街站的应用是合 理的。 由于条件和个人能力所限，本课 题所做的也只是初步工作，还有待于 今后的进一步深入的研究。