利用數值模擬對管廊暗挖不同施工方法的研究

時間：2021年03月29日分類：免費文獻次數：

摘要依托北京新機場高速公路地下綜合管廊工程，針對非對稱地下管廊暗挖穿越粉細砂地層的特殊情況，利用有限元數值模擬軟件MIDAS，建立了中洞法及側洞法三維數值模型，從地表沉降、拱頂沉降、水平收斂等3個變形參數對不同施工方法進行對比，結合實際沉降曲線

《利用數值模擬對管廊暗挖不同施工方法的研究》論文發表期刊：《防護工程》；發表周期：2020年06期

《利用數值模擬對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，主要從事施工技術研究和管理。

　　摘要依托北京新機場高速公路地下綜合管廊工程，針對非對稱地下管廊暗挖穿越粉細砂地層的特殊情況，利用有限元數值模擬軟件MIDAS，建立了中洞法及側洞法三維數值模型，從地表沉降、拱頂沉降、水平收斂等3個變形參數對不同施工方法進行對比，結合實際沉降曲線分析發現：側洞法在上述3個變形參數方面均優于中洞法施工，側洞法模擬更接近實際情況。

　　關鍵詞數值模擬：地下管廊：暗挖;中洞法;側洞法

　　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，國內學者已經對地下管廊暗挖進行了一定研究，取得了一定的成果。韓金朋等四闡述了國內外地下綜合管廊的發展歷程和現狀，對我國現行管廊結構進行了總結;王魁等口以鄭州首座地下管廊為研究對象，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程中的受力和變形規律;黃懿[基于湖南某綜合管廊實體工程，通過有限元分析軟件ABAQUS進行數值模擬，研究了二維工況下重型車輛荷載以垂直走向通過綜合管廊結構時結構的受力和構件位移特征：吳余海以北京市通州綜合管廊上穿地鐵6號線暗挖施工為工程背景，采用ABAQUS軟件對暗挖施工過程進行建模，分析管廊開挖過程對隧道結構及周邊土體的影響。石家志等53用ANSYS研究北京地鐵10號線北土城-安貞門站區間三聯拱隧道中洞法開挖過程，發現中洞的開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研究北京十四號線三聯拱隧道側洞法施工，認為側洞上部施工時沉降較大，應盡快封閉成環。

　　三聯拱隧道雖然在結構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，這導致三洞管廊的施工方法與三聯拱隧道施工方法有很大的不同，使得專門對地下管廊施工工法的研究更有必要。

　　本文以北京新機場高速公路地下綜合管廊工程項目為依托，利用巖土隧道專用軟件Midas GTS建立三維有限元數值模型，并與實際監測數據進行對比，研究非對稱地下管廊暗挖在采用不同掘進方式施工的土體力學響應規律，比較中洞法開挖及側洞法開挖2種施工工藝的特點。

　　1工程概況

　　北京新機場高速公路地下綜合管廊工程位于北京市南部，北起南四環公益東橋，南至新機場北圍界，全長36 km.如圖1所示，管廊斷面設計為三艙，左側洞電力艙凈寬2.6 m，中洞水信艙凈寬

　　3.9m，右側洞高壓電力艙凈寬2.0m.主體結構外輪廓尺寸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洞法施工，2處下穿既有公路的管廊截面相同(見圖1)，2處既有公路的地質情況基本相同：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砂層，細砂層，黏土層，圓礫-卵石層，在勘察范圍內未見地下水，如圖1所示。

　　2 暗挖施工方法

　　中洞法施工，即先開挖中洞( 水信艙) ，中洞開挖一定長度后，再開挖兩側洞( 電力艙和高壓電力艙) 。中洞法施工步序為: (1) 深孔注漿加固地層，一次12m，段與段之間搭接2m;(2)上下臺階法開挖中間導洞斷面土體，并預留核心土，架立鋼格柵，采用鎖腳錨桿加固墻腳，掛網噴射初支混凝土，上下臺階錯開5m;(3)中間導洞全斷面成洞10m后同時施做左右兩側導洞深孔注漿：(4)上下臺階法同時開挖左、右側斷面土體，并預留核心土，架立鋼格柵，采用鎖腳錨桿加固墻腳，掛網噴射初支混凝土，上下臺階錯開5m，如圖2所示。

　　側洞法施工與中洞法施工的主要不同點是中洞和側洞開挖順序不一樣，側洞法是先同時開挖兩側洞，兩側洞開挖10m后，再開挖中洞，側洞法施工步驟詳見圖3。中洞和側洞的開挖方式及參數要求均與中洞法相同。

　　3數值模型建立

　　如圖4所示，土層數值模型的尺寸為50 mx

　　22 m x35 m(長x寬×高)，該尺寸可保證模型的邊界效應足夠小。有限元模型的尺寸在3個方向上均大于管廊開挖的影響范圍，因此可認為底面和4個側面固定不動，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化為等厚的成層土，同一土層中的土體假定為均勻、連續及各向同性，土層厚度依據場地內各土層埋深的變異性及起伏性綜合考慮確定，共5層，具體參數取值如表1所示。在管廊開挖前進行初始應力分析，即讓模型在重力作用下進行沉降，得到模型的初始應力狀態。

　　中洞法與側洞法均采用完全相同的管廊結構斷面形式、埋深、地質參數、邊界條件、初期支護結構。

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

　　土體采用實體單元，修正摩爾-庫倫模型。管廊初支結構采用板殼單元來模擬，錨桿采用梁單元來模擬，均為彈性體模型。計算模型上表面為對應土壓力載荷，底部為固定位移約束，各側面均為對應方向的位移約束，在管廊開挖前，讓模型土體在重力作用下沉降，得到模型的初始應力狀態。

　　在模擬過程中，通過網格的激活與鈍化來模擬實際動態的施工過程，單元被鈍化后并沒有將單元移走，而是將其變為無效，即鈍化單元質量被設置為零，剛度被適當縮減。單元被激活后，它的質量、剛度、阻尼及單元荷載恢復原值。利用管廊土體的鈍化模擬管廊開挖：利用板單元的激活模擬初期支護的建立：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。數值模擬過程中，開挖每次進尺0.5 m.

　　中洞法和側洞法的數值模擬中，地表沉降監測線及管廊監測斷面均設在寬度中點位置(見圖6)。在管廊中洞和兩側洞拱頂位置各設置一個拱頂沉降監測點，同時在每個艙內設置水平收斂監測點。在施工現場，分別在中洞法和側洞法施工的管廊長度方向中線位置設置一條地表沉降監測線，進行實際地表沉降監測。

　　4 數值模擬分析比較

　　4.1 中洞法數值模擬分析由圖7可得，在中洞法施工數值模擬過程中，數值模擬監測斷面中洞拱頂沉降在中洞上臺階開挖之前受前部土體開挖擾動，會有略微沉降：至中洞上臺階開挖附近，沉降開始逐步增大，沉降速率在中洞上臺階開挖和中洞下臺階開挖施工步之間達到最大，此時開挖截面屬于未封閉狀態;中洞下臺階開挖施工后，沉降速率明顯減小，沉降逐漸趨于平緩，此時開挖截面處于封閉成環的狀態，這說明支護封閉成環對沉降控制有明顯作用;兩側洞上臺階開挖后，沉降速度又略有增加;在兩側洞下臺階開挖完成后，側洞封閉成環以后沉降速度再次下降，沉降最終趨于平緩，說明中洞沉降受到側洞施工的影響。數值模擬監測斷面左右側洞拱頂沉降在中洞上臺階開挖之前較小，但在中洞上臺階開挖之后較大，說明兩側洞拱頂沉降受中洞前部土體開挖擾動較小，但受監測斷面附近土體開挖影響較大;兩側洞上下臺階開挖規律與中洞上下臺階開挖相似，即上臺階開挖后沉降速率較大，下臺階開挖后沉降速率逐漸減小，沉降趨于平緩。左側洞沉降大于右側洞沉降，說明開挖截面越大，最終沉降越大。

　　表2為中洞法在數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相對應。由表可得，中洞最大沉降部分出現在上臺階開挖之后，支護未封閉成環之前，側洞最大沉降部分出現在側洞上臺階開挖之后，側洞支護未封閉成環之前。同時，側洞沉降在中洞開挖未封閉時的沉降也較大。

　　4.2 側洞法數值模擬分析由圖8可得，在側洞法施工數值模擬過程中，監測斷面側洞拱頂在側洞上臺階開挖之前同樣受前部土體開挖擾動，會有略微沉降：至側洞上臺階開挖附近，沉降開始逐步增大，沉降速率在側洞上臺階開挖和側洞下臺階開挖施工步之間達到最大，此時開挖截面屬于未封閉狀態;側洞下臺階開挖施工后，沉降速率明顯減小，沉降逐漸趨于平緩，此時開挖截面處于封閉成環的狀態，這說明支護封閉成環對側洞法沉降控制同樣有明顯作用：中洞開挖，支護對側洞拱頂沉降的影響較小：左側洞沉降大于右側洞沉降，同樣說明開挖截面越大，最終沉降越大。

　　監測斷面中洞拱頂在側洞上臺階開挖之前沉降較小，但在側洞上臺階開挖之后沉降較大，說明中洞拱頂沉降受側洞前部土體開挖擾動較小，但受監測斷面附近土體開挖影響較大：中洞上下臺階開挖規律與側洞上下臺階開挖相似，即上臺階開挖后沉降速率較大，下臺階開挖后沉降速率逐漸減小，沉降趨于平緩。

　　表3為側洞法在數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相對應。由表可得，兩側洞最大沉降部分出現在兩側洞上臺階開挖之后，支護未封閉成環之前，中洞最大沉降部分出現在中洞上臺階開挖之后，中洞支護未封閉成環之前。同時，兩側洞沉降受中洞開挖未封閉時的影響較小，這是由于側洞已經封閉成環，中洞開挖對兩側洞影響有限。

　　4.3中洞法及側洞法對比分析由表4可知，數值模擬中：中洞法中3洞的最大拱頂沉降值均大于側洞法中的最大拱頂沉降值;在中洞法和側洞法中，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：兩側洞的最大水平收斂值在中洞法中相等，在側洞法中近似相等，說明兩側洞的截面面積差對最大水平收斂值影響較小。根據數值模擬的結果，從最大拱頂沉降值及最大水平收斂值考慮，側洞法施工均優于中洞法施工，側洞法施工穩定性更好。

　　由圖9可得，數值模擬中: 中洞法及側洞法地表最大沉降值均出現在管廊中洞中心線上，中洞法地表最大沉降為-5.3 mm，側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洞法。

　　實測數據中：中洞法施工和側洞法施工的管廊地表沉降監測線的沉降曲線與數值模擬的沉降曲線形式基本相同，最大沉降值也出現在管廊中洞中心線上。實測數據中，中洞法地表最大沉降為-5.8 mm，側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洞法，與數值模擬的結論相一致。這是由于中洞法施工時，中洞先行開挖，開挖截面較大，對土體的擾動也相應較大：而側洞法施工時，兩側洞先行，各自開挖截面較小，且位置相對分散，中洞開挖后，中洞初支可直接搭在兩側洞上，使中洞下臺階施工對中洞拱頂影響較側洞法影響更小。從地表沉降值考慮，側洞法也優于中洞法，側洞法施工對土層的擾動較小，管廊結構外土體穩定性與中洞法相比更好[。

　　另外，對應位置上的地表沉降，實測沉降值均大于數值模擬沉降值。相比中洞法施工，側洞法中的數值模擬沉降曲線與實測沉降曲線更為接近和相似。

　　5結論

　　針對大斷面非對稱地下管廊暗挖穿越粉細砂地層的情況，利用有限元數值模擬軟件對不同工法進行對比分析，主要得出以下結論：

　　(1)拱頂沉降在掌子面推進到監測斷面附近達到最大，沉降速率也是最快，變形劇烈，隨著掌子面向后推移，沉降位移開始減小，沉降速率減緩，并且逐漸趨于穩定。

　　(2)先后開挖的洞室會相互影響，如中洞法施工過程中，側洞在未開挖時受到中洞的開挖產生沉降，中洞在側洞開挖后沉降速率第二次變大，后隨側洞支護成環第二次減少。

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

　　(4)側洞法施工在地表沉降，拱頂沉降，水平收斂3個變形參數方面均優于中洞法。

　　(5)從地表沉降曲線中可知，側洞法數值模擬結果比中洞法的更貼近實際監測。

　　參考文獻

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　　[3]黃懿，超重荷載地下綜合管廊收斂變形模擬研究D].山西建筑，201 8，44(12)：4345.