单位文秘网 2021-08-31 09:11:36 点击: 次
摘 要:地铁开挖对邻近管线的影响已成为地铁工程中的重点问题。文章结合西安地铁二号线,模拟了CD、CRD法开挖对既有给水管影响变形的全过程,通过计算分析比较得出了较为合理的开挖和支护方法,供类似工程参考。
关键词:浅埋暗挖;CD;CRD;比选;数值模拟
中图分类号:U4文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2009)17-0015-03
浅埋暗挖法施工中由于埋置深度小,随着地层物质被挖出,自洞室临空面向地层深处一定范围内地层应力将重新分布,宏观表现为地层的变形。不同的施工方法引起的沉降是不一样的,过大的地面沉降和地层变位将直接危及地面建筑物和地中管线的正常使用。因此,有必要通过数值模拟分析不同施工方法对地面沉降的影响,确定合理的施工方法。同时在施工中进行量测监控,并根据评价指标进行判断,作出比较合理的技术决策和现场应变措施。
1 工程概况
西安地铁二号线某地下区间,采用暗挖施工法。其中一根直径2 m的给水管沿线路东侧由南向北敷设,管线埋深约为2.5 m~3.9 m,位于线路左线上方。供水压力在3 kgf/cm2~4 kgf/cm2,距暗挖结构最近处约10 m。施工期间必须严格控制该水管的沉降,否则将直接影响到西安市民的用水。
1.1 工程地质
沿线主要为素填土层、新黄土层、古土壤层、老黄土层以及粉质黏土层,地层岩性变化较大,均匀性一般。其中隧道穿越的土层为新黄土层、古土壤层以及老黄土层,各土层多为可塑状态,局部为软塑状态,且位于地下水位以下,受地下水的影响较大,洞室围岩易发生蠕变、坍塌等变形破坏。各地层主要物理力学指标见表1。
2.2 施工方案
隧道施工前先进行地面井点降水,降水深度在结构底板以下1 m,施工时达到无水作业(所以计算模拟过程中不考虑地下水的影响)。为改良工作面前方地层,保证开挖工作面的稳定,隧道开挖前采用双排超前小导管注浆加固地层。为保证注浆效果,防止注浆过程中工作面的漏浆,小导管超前注浆前喷射混凝土封闭开挖工作面。初期支护闭合成环一定长度后,即对初衬背后压注水泥浆。
方案一:采用CRD工法分部开挖。
方案二:采用CD工法分部开挖。
施工步骤见图1。
2 数值模拟分析
2.1 计算模型
为模拟两种工法在隧道开挖时对地表沉降的影响,计算过程中采用二维有限元地层结构连续介质模型。有限元模型水平宽度取开挖洞室宽度的5倍,垂直高度取至隧道底以下开挖洞室宽度的5倍。整个地层与隧道共同作用的模型宽120 m,高67.1 m(见图2计算模型图),共划分了4 270个单元。在模拟时采用梁单元来模拟初支,超前小导管对土体的加固作用通过提高围岩等级来近似模拟。左右均约束水平向位移,底面约束水平和竖向位移。2 m直径给水管采用梁单元来模拟。计算时地面超载按规范取为20 kPa。
2.2 计算参数
地层模型参数主要按表1选取。初支为C25喷射混凝土,其弹性模量为23 000 MPa,泊松比为0.2。临时支撑为I20 a工字钢,弹性模量为200 GPa,泊松比为0.3。
2.3 施工过程模拟
数值模拟分析运用了Midas GTS单元中的“激活”、“钝化”功能来模拟开挖过程,其原理是当选择钝化单元时,程序将对这些单元的刚度、传导或其他分析特性矩阵乘以一个很小的因子。钝化单元的单元荷载将为0,从而不对荷载向量生效,同样钝化单元的质量、阻尼等其他类似效果也设为0值。钝化单元的这些性质可以有效地模拟开挖掉的土体。所谓“激活单元”,就是指没被钝化的单元以及激活的钝化单元,激活后的单元将恢复原来的质量和刚度等矩阵值,可以有效地模拟开挖后施工的衬支和临时支撑。具体计算分析过程如下:①设置好各种地层参数、支护参数后,施加重力场,激活所有地层,以模拟大地的初始应力状态;钝化水管部分的土体,并通过梁单元来模拟2 m给水管,并将位移清零;②通过改变材料参数以提高围岩等级来模拟超前小导管注浆加固区;③利用Midas GTS的激活、钝化功能来模拟两种施工方案各施工步骤,直至施工完成。
3 计算结果分析
由图3、图4可知,CD法和CRD法引起的水管竖向位移最大值为2.55 mm、2.71 mm,水平位移最大值分为2.05 mm、1.56 mm,经分析可知,两种工法对给水管的影响类似且位移变化均不大,都可以满足管道的变形要求。
由图5、图6可知,CD法和CRD法引起的地表沉降最大值分别为23.27 mm、16.05 mm。经分析可知:CRD法断面开挖能及时支护使周边围岩的应力释放得到控制,从而能减少地表沉降量,有效控制地面变形。通过比选,综合考虑两种工法引起的沉降,由于CRD工法步步封闭成环,围岩暴露时间短,因此,CRD法在控制地面沉降和土体水平位移方面优于CD法,选择CRD法施工本段区间。
为了评价注浆加固对地层加固的效果及对隧道开挖的影响,计算还模拟了注浆及未注浆两种工况,由图7、图8可知,采用注浆加固拱顶地层后,拱顶的沉降得到有效控制,从 -27.94 mm变化为-17.03 mm,这是因为开挖面周围地层形成一个硬壳保护拱,在拱的保护下,使得工作面坍塌的程度大大减小,挖掘面影响范围内的土体得到了有效改良,增加了土体的稳定性,制约了拱部土体向下位移,从而减小了暗挖施工引起的沉降。通过分析可知,软弱土层采取超前预加固措施对控制拱顶沉降效果明显。
4 结论
(1)模拟计算结果表明,软弱土层采取超前预加固措施对控制拱顶沉降效果明显。
(2)CRD法步步封闭成环,在控制地面沉降和土体水平位移方面优于CD法。
(3)通过对地表及管底沉降的数值模拟预测,CRD法最大地表沉降为16.05 mm,该法引起的管底竖向和水平位移分别为2.71 mm、1.56 mm。从管线安全性来讲,它未超过管线安全使用所允许的变形值。
目前该段工程已施工完毕,从现场情况看,采用超前支护+CRD法通过既有管道措施合理,安全可行。
作者简介:翁木生,男,汉族,1982年出生,湖南醴陵人。
Numerical Simulation on the Choice of the Diffirent
Shallow Mining Method
WengMusheng
Abstract:Urban road draining water is the important constituent within the urban road design, not only it affects the urban road the service life, but also affects city clean and the beautification. This introduction emphasizes on the importance of urban road draining water, and also has analyzed and proved the practical application on subgrade drainage, surface drainage, overpass drainage and afforested belt drainage design and so on.
Key words:shallow mining method ;CD; CRD; compared to elects;numerical simulation
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