《利用數(shù)值模擬對(duì)管廊暗挖不同施工方法的研究》論文發(fā)表期刊：《防護(hù)工程》；發(fā)表周期：2020年06期

《利用數(shù)值模擬對(duì)管廊暗挖不同施工方法的研究》論文作者信息：劉佳杰(1988—)，男，碩士，工程師，主要從事施工技術(shù)研究和管理。

　　摘要 依托北京新機(jī)場(chǎng)高速公路地下綜合管廊工程，針對(duì)非對(duì)稱地下管廊暗挖穿越粉細(xì)砂地層的特殊情況，利用有限元數(shù)值模擬軟件MIDAS，建立了中洞法及側(cè)洞法三維數(shù)值模型，從地表沉降、拱頂沉降、水平收斂等3個(gè)變形參數(shù)對(duì)不同施工方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合實(shí)際沉降曲線分析發(fā)現(xiàn)：側(cè)洞法在上述3個(gè)變形參數(shù)方面均優(yōu)于中洞法施工，側(cè)洞法模擬更接近實(shí)際情況。

　　關(guān)鍵詞 數(shù)值模擬：地下管廊：暗挖;中洞法;側(cè)洞法

　　Abstract Relying on the underground comprehensive pipe gallery project of Beijing New Airport Expressway, ano targeting at the special condition of underground excavation of asymmetric pipe gallery crossing fine sand stratum, this paper used the finite element numerical simulation software MIDAS to establish the threeimensional numerical models of mid-cave method and side-ave method, and compared the different defommation parameters of surface sinking, dome settlement and horizontal convergence. Combined with the analysis of the actual settlement curves, iis found that the side-ave method construction is superior to the mid-cave method in tems of the above defommation parameters, the simulation of which is closer to the actual condition

　　Keywords numerical simulation; underground pipe gallery ; exeavation; mid-cave method; side-ave method

　　目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)對(duì)地下管廊暗挖進(jìn)行了一定研究，取得了一定的成果。韓金朋等四闡述了國(guó)內(nèi)外地下綜合管廊的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，對(duì)我國(guó)現(xiàn)行管廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了總結(jié);王魁等口以鄭州首座地下管廊為研究對(duì)象，利用ABAQUS建立土體和管廊的三維有限元模型，研究土體與地下管廊之間的靜力相互作用，從而得到了地下管廊在正常使用過(guò)程中的受力和變形規(guī)律;黃懿[基于湖南某綜合管廊實(shí)體工程，通過(guò)有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了二維工況下重型車輛荷載以垂直走向通過(guò)綜合管廊結(jié)構(gòu)時(shí)結(jié)構(gòu)的受力和構(gòu)件位移特征：吳余海以北京市通州綜合管廊上穿地鐵6號(hào)線暗挖施工為工程背景，采用ABAQUS軟件對(duì)暗挖施工過(guò)程進(jìn)行建模，分析管廊開(kāi)挖過(guò)程對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及周邊土體的影響。石家志等53用ANSYS研究北京地鐵10號(hào)線北土城-安貞門站區(qū)間三聯(lián)拱隧道中洞法開(kāi)挖過(guò)程，發(fā)現(xiàn)中洞的開(kāi)挖施工是造成地表下沉的主要原因;潘茜等[采用有限元軟件PLAXIS研究北京十四號(hào)線三聯(lián)拱隧道側(cè)洞法施工，認(rèn)為側(cè)洞上部施工時(shí)沉降較大，應(yīng)盡快封閉成環(huán)。

　　三聯(lián)拱隧道雖然在結(jié)構(gòu)形式上與三洞管廊有相似之處，但是相比于管廊，隧道的截面尺寸普遍較大，這導(dǎo)致三洞管廊的施工方法與三聯(lián)拱隧道施工方法有很大的不同，使得專門對(duì)地下管廊施工工法的研究更有必要。

　　本文以北京新機(jī)場(chǎng)高速公路地下綜合管廊工程項(xiàng)目為依托，利用巖土隧道專用軟件Midas GTS建立三維有限元數(shù)值模型，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，研究非對(duì)稱地下管廊暗挖在采用不同掘進(jìn)方式施工的土體力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，比較中洞法開(kāi)挖及側(cè)洞法開(kāi)挖2種施工工藝的特點(diǎn)。

　　1工程概況

　　北京新機(jī)場(chǎng)高速公路地下綜合管廊工程位于北京市南部，北起南四環(huán)公益東橋，南至新機(jī)場(chǎng)北圍界，全長(zhǎng)36 km.如圖1所示，管廊斷面設(shè)計(jì)為三艙，左側(cè)洞電力艙凈寬2.6 m，中洞水信艙凈寬

　　3.9m，右側(cè)洞高壓電力艙凈寬2.0m.主體結(jié)構(gòu)外輪廓尺寸11.8 m x5.32 m地下綜合管廊采用暗挖施工方法下穿2條既有公路，分別采用中洞法和側(cè)洞法施工，2處下穿既有公路的管廊截面相同(見(jiàn)圖1)，2處既有公路的地質(zhì)情況基本相同：管廊下穿既有公路部分拱頂埋深6.48 m，主要地層從上到下可概化為粉細(xì)砂層，細(xì)砂層，黏土層，圓礫-卵石層，在勘察范圍內(nèi)未見(jiàn)地下水，如圖1所示。

　　2 暗挖施工方法

　　中洞法施工，即先開(kāi)挖中洞( 水信艙) ，中洞開(kāi)挖一定長(zhǎng)度后，再開(kāi)挖兩側(cè)洞( 電力艙和高壓電力艙) 。中洞法施工步序?yàn)? (1) 深孔注漿加固地層，一次12m，段與段之間搭接2m;(2)上下臺(tái)階法開(kāi)挖中間導(dǎo)洞斷面土體，并預(yù)留核心土，架立鋼格柵，采用鎖腳錨桿加固墻腳，掛網(wǎng)噴射初支混凝土，上下臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)5m;(3)中間導(dǎo)洞全斷面成洞10m后同時(shí)施做左右兩側(cè)導(dǎo)洞深孔注漿：(4)上下臺(tái)階法同時(shí)開(kāi)挖左、右側(cè)斷面土體，并預(yù)留核心土，架立鋼格柵，采用鎖腳錨桿加固墻腳，掛網(wǎng)噴射初支混凝土，上下臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)5m，如圖2所示。

　　側(cè)洞法施工與中洞法施工的主要不同點(diǎn)是中洞和側(cè)洞開(kāi)挖順序不一樣，側(cè)洞法是先同時(shí)開(kāi)挖兩側(cè)洞，兩側(cè)洞開(kāi)挖10m后，再開(kāi)挖中洞，側(cè)洞法施工步驟詳見(jiàn)圖3。中洞和側(cè)洞的開(kāi)挖方式及參數(shù)要求均與中洞法相同。

　　3數(shù)值模型建立

　　如圖4所示，土層數(shù)值模型的尺寸為50 mx

　　22 m x35 m(長(zhǎng)x寬×高)，該尺寸可保證模型的邊界效應(yīng)足夠小。有限元模型的尺寸在3個(gè)方向上均大于管廊開(kāi)挖的影響范圍，因此可認(rèn)為底面和4個(gè)側(cè)面固定不動(dòng)，由此得到了模型的位移邊界條件。三維有限元模型中的地層自上而下依次簡(jiǎn)化為等厚的成層土，同一土層中的土體假定為均勻、連續(xù)及各向同性，土層厚度依據(jù)場(chǎng)地內(nèi)各土層埋深的變異性及起伏性綜合考慮確定，共5層，具體參數(shù)取值如表1所示。在管廊開(kāi)挖前進(jìn)行初始應(yīng)力分析，即讓模型在重力作用下進(jìn)行沉降，得到模型的初始應(yīng)力狀態(tài)。

　　中洞法與側(cè)洞法均采用完全相同的管廊結(jié)構(gòu)斷面形式、埋深、地質(zhì)參數(shù)、邊界條件、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)。

　　由于管廊二襯施工與初次支護(hù)時(shí)間間隔較長(zhǎng)，因此模擬中不考慮二次襯砌在支護(hù)中的作用[。由勘察資料可知，該工程地下水位位于勘查最大深度外，因此也無(wú)需考慮地下水的影響。根據(jù)不同施工順序及施工方法建立的中洞法和側(cè)洞法的管廊數(shù)值模型詳見(jiàn)圖5

　　土體采用實(shí)體單元，修正摩爾-庫(kù)倫模型。管廊初支結(jié)構(gòu)采用板殼單元來(lái)模擬，錨桿采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬，均為彈性體模型。計(jì)算模型上表面為對(duì)應(yīng)土壓力載荷，底部為固定位移約束，各側(cè)面均為對(duì)應(yīng)方向的位移約束，在管廊開(kāi)挖前，讓模型土體在重力作用下沉降，得到模型的初始應(yīng)力狀態(tài)。

　　在模擬過(guò)程中，通過(guò)網(wǎng)格的激活與鈍化來(lái)模擬實(shí)際動(dòng)態(tài)的施工過(guò)程，單元被鈍化后并沒(méi)有將單元移走，而是將其變?yōu)闊o(wú)效，即鈍化單元質(zhì)量被設(shè)置為零，剛度被適當(dāng)縮減。單元被激活后，它的質(zhì)量、剛度、阻尼及單元荷載恢復(fù)原值。利用管廊土體的鈍化模擬管廊開(kāi)挖：利用板單元的激活模擬初期支護(hù)的建立：利用錨桿單元的激活模擬錨桿的建立：利用管廊上部土體的屬性改變模擬深孔注漿。數(shù)值模擬過(guò)程中，開(kāi)挖每次進(jìn)尺0.5 m.

　　中洞法和側(cè)洞法的數(shù)值模擬中，地表沉降監(jiān)測(cè)線及管廊監(jiān)測(cè)斷面均設(shè)在寬度中點(diǎn)位置(見(jiàn)圖6)。在管廊中洞和兩側(cè)洞拱頂位置各設(shè)置一個(gè)拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在每個(gè)艙內(nèi)設(shè)置水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在施工現(xiàn)場(chǎng)，分別在中洞法和側(cè)洞法施工的管廊長(zhǎng)度方向中線位置設(shè)置一條地表沉降監(jiān)測(cè)線，進(jìn)行實(shí)際地表沉降監(jiān)測(cè)。

　　4 數(shù)值模擬分析比較

　　4.1 中洞法數(shù)值模擬分析由圖7可得，在中洞法施工數(shù)值模擬過(guò)程中，數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)斷面中洞拱頂沉降在中洞上臺(tái)階開(kāi)挖之前受前部土體開(kāi)挖擾動(dòng)，會(huì)有略微沉降：至中洞上臺(tái)階開(kāi)挖附近，沉降開(kāi)始逐步增大，沉降速率在中洞上臺(tái)階開(kāi)挖和中洞下臺(tái)階開(kāi)挖施工步之間達(dá)到最大，此時(shí)開(kāi)挖截面屬于未封閉狀態(tài);中洞下臺(tái)階開(kāi)挖施工后，沉降速率明顯減小，沉降逐漸趨于平緩，此時(shí)開(kāi)挖截面處于封閉成環(huán)的狀態(tài)，這說(shuō)明支護(hù)封閉成環(huán)對(duì)沉降控制有明顯作用;兩側(cè)洞上臺(tái)階開(kāi)挖后，沉降速度又略有增加;在兩側(cè)洞下臺(tái)階開(kāi)挖完成后，側(cè)洞封閉成環(huán)以后沉降速度再次下降，沉降最終趨于平緩，說(shuō)明中洞沉降受到側(cè)洞施工的影響。數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)斷面左右側(cè)洞拱頂沉降在中洞上臺(tái)階開(kāi)挖之前較小，但在中洞上臺(tái)階開(kāi)挖之后較大，說(shuō)明兩側(cè)洞拱頂沉降受中洞前部土體開(kāi)挖擾動(dòng)較小，但受監(jiān)測(cè)斷面附近土體開(kāi)挖影響較大;兩側(cè)洞上下臺(tái)階開(kāi)挖規(guī)律與中洞上下臺(tái)階開(kāi)挖相似，即上臺(tái)階開(kāi)挖后沉降速率較大，下臺(tái)階開(kāi)挖后沉降速率逐漸減小，沉降趨于平緩。左側(cè)洞沉降大于右側(cè)洞沉降，說(shuō)明開(kāi)挖截面越大，最終沉降越大。

　　表2為中洞法在數(shù)值模擬中各施工階段三洞沉降占各洞總沉降百分比，施工步驟與圖7相對(duì)應(yīng)。由表可得，中洞最大沉降部分出現(xiàn)在上臺(tái)階開(kāi)挖之后，支護(hù)未封閉成環(huán)之前，側(cè)洞最大沉降部分出現(xiàn)在側(cè)洞上臺(tái)階開(kāi)挖之后，側(cè)洞支護(hù)未封閉成環(huán)之前。同時(shí)，側(cè)洞沉降在中洞開(kāi)挖未封閉時(shí)的沉降也較大。

　　4.2 側(cè)洞法數(shù)值模擬分析由圖8可得，在側(cè)洞法施工數(shù)值模擬過(guò)程中，監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)榷垂绊斣趥?cè)洞上臺(tái)階開(kāi)挖之前同樣受前部土體開(kāi)挖擾動(dòng)，會(huì)有略微沉降：至側(cè)洞上臺(tái)階開(kāi)挖附近，沉降開(kāi)始逐步增大，沉降速率在側(cè)洞上臺(tái)階開(kāi)挖和側(cè)洞下臺(tái)階開(kāi)挖施工步之間達(dá)到最大，此時(shí)開(kāi)挖截面屬于未封閉狀態(tài);側(cè)洞下臺(tái)階開(kāi)挖施工后，沉降速率明顯減小，沉降逐漸趨于平緩，此時(shí)開(kāi)挖截面處于封閉成環(huán)的狀態(tài)，這說(shuō)明支護(hù)封閉成環(huán)對(duì)側(cè)洞法沉降控制同樣有明顯作用：中洞開(kāi)挖，支護(hù)對(duì)側(cè)洞拱頂沉降的影響較�。鹤髠�(cè)洞沉降大于右側(cè)洞沉降，同樣說(shuō)明開(kāi)挖截面越大，最終沉降越大。

　　監(jiān)測(cè)斷面中洞拱頂在側(cè)洞上臺(tái)階開(kāi)挖之前沉降較小，但在側(cè)洞上臺(tái)階開(kāi)挖之后沉降較大，說(shuō)明中洞拱頂沉降受側(cè)洞前部土體開(kāi)挖擾動(dòng)較小，但受監(jiān)測(cè)斷面附近土體開(kāi)挖影響較大：中洞上下臺(tái)階開(kāi)挖規(guī)律與側(cè)洞上下臺(tái)階開(kāi)挖相似，即上臺(tái)階開(kāi)挖后沉降速率較大，下臺(tái)階開(kāi)挖后沉降速率逐漸減小，沉降趨于平緩。

　　表3為側(cè)洞法在數(shù)值模擬中各施工階段三洞沉降占各洞總沉降百分比，施工步驟與圖8相對(duì)應(yīng)。由表可得，兩側(cè)洞最大沉降部分出現(xiàn)在兩側(cè)洞上臺(tái)階開(kāi)挖之后，支護(hù)未封閉成環(huán)之前，中洞最大沉降部分出現(xiàn)在中洞上臺(tái)階開(kāi)挖之后，中洞支護(hù)未封閉成環(huán)之前。同時(shí)，兩側(cè)洞沉降受中洞開(kāi)挖未封閉時(shí)的影響較小，這是由于側(cè)洞已經(jīng)封閉成環(huán)，中洞開(kāi)挖對(duì)兩側(cè)洞影響有限。

　　4.3中洞法及側(cè)洞法對(duì)比分析由表4可知，數(shù)值模擬中：中洞法中3洞的最大拱頂沉降值均大于側(cè)洞法中的最大拱頂沉降值;在中洞法和側(cè)洞法中，最大拱頂沉降值與洞截面面積成正比，即洞截面面積越大，其最大拱頂沉降值就越大。側(cè)洞法中3洞最大水平收斂值均小于中洞法3洞的最大水平收斂值：兩側(cè)洞的最大水平收斂值在中洞法中相等，在側(cè)洞法中近似相等，說(shuō)明兩側(cè)洞的截面面積差對(duì)最大水平收斂值影響較小。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，從最大拱頂沉降值及最大水平收斂值考慮，側(cè)洞法施工均優(yōu)于中洞法施工，側(cè)洞法施工穩(wěn)定性更好。

　　由圖9可得，數(shù)值模擬中: 中洞法及側(cè)洞法地表最大沉降值均出現(xiàn)在管廊中洞中心線上，中洞法地表最大沉降為-5.3 mm，側(cè)洞法地表最大沉降為-3.2 mm，中洞法地表沉降最大值明顯大于側(cè)洞法。

　　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中：中洞法施工和側(cè)洞法施工的管廊地表沉降監(jiān)測(cè)線的沉降曲線與數(shù)值模擬的沉降曲線形式基本相同，最大沉降值也出現(xiàn)在管廊中洞中心線上。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中，中洞法地表最大沉降為-5.8 mm，側(cè)洞法地表最大沉降為-3.6 mm，中洞法地表沉降最大值明顯大于側(cè)洞法，與數(shù)值模擬的結(jié)論相一致。這是由于中洞法施工時(shí)，中洞先行開(kāi)挖，開(kāi)挖截面較大，對(duì)土體的擾動(dòng)也相應(yīng)較大：而側(cè)洞法施工時(shí)，兩側(cè)洞先行，各自開(kāi)挖截面較小，且位置相對(duì)分散，中洞開(kāi)挖后，中洞初支可直接搭在兩側(cè)洞上，使中洞下臺(tái)階施工對(duì)中洞拱頂影響較側(cè)洞法影響更小。從地表沉降值考慮，側(cè)洞法也優(yōu)于中洞法，側(cè)洞法施工對(duì)土層的擾動(dòng)較小，管廊結(jié)構(gòu)外土體穩(wěn)定性與中洞法相比更好[。

　　另外，對(duì)應(yīng)位置上的地表沉降，實(shí)測(cè)沉降值均大于數(shù)值模擬沉降值。相比中洞法施工，側(cè)洞法中的數(shù)值模擬沉降曲線與實(shí)測(cè)沉降曲線更為接近和相似。

　　5結(jié)論

　　針對(duì)大斷面非對(duì)稱地下管廊暗挖穿越粉細(xì)砂地層的情況，利用有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)不同工法進(jìn)行對(duì)比分析，主要得出以下結(jié)論：

　　(1)拱頂沉降在掌子面推進(jìn)到監(jiān)測(cè)斷面附近達(dá)到最大，沉降速率也是最快，變形劇烈，隨著掌子面向后推移，沉降位移開(kāi)始減小，沉降速率減緩，并且逐漸趨于穩(wěn)定。

　　(2)先后開(kāi)挖的洞室會(huì)相互影響，如中洞法施工過(guò)程中，側(cè)洞在未開(kāi)挖時(shí)受到中洞的開(kāi)挖產(chǎn)生沉降，中洞在側(cè)洞開(kāi)挖后沉降速率第二次變大，后隨側(cè)洞支護(hù)成環(huán)第二次減少。

　　(3)拱頂沉降位移與洞室截面面積的大小成正比關(guān)系，由于三洞截面面積大小關(guān)系為：中洞>左側(cè)洞>右側(cè)洞，因此沉降位移也顯示為：中洞位移>左側(cè)洞位移>右側(cè)洞位移。

　　(4)側(cè)洞法施工在地表沉降，拱頂沉降，水平收斂3個(gè)變形參數(shù)方面均優(yōu)于中洞法。

　　(5)從地表沉降曲線中可知，側(cè)洞法數(shù)值模擬結(jié)果比中洞法的更貼近實(shí)際監(jiān)測(cè)。

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