下穿運營地鐵車站的區間隧道凍結暗挖施工數值模擬

2020-03-01 07:31:44林濟

建筑施工 2020年9期

林濟

上海市機械施工集團有限公司上海 200070

在有限的地下空間中，新建建筑如何在不破壞既有建筑結構的前提下完成施工成為了一項新的挑戰。傳統的大開挖法雖然施工簡便，但在建筑結構及周邊環境條件日益復雜的今天，已經不能滿足所有工況的施工要求。凍結加固礦山暗挖技術能在不破壞既有建筑上部結構的情況下，對既有建筑地下結構部分進行處理，既能保護既有建筑的安全，又能為新建建筑的施工提供條件，是一種在軟土地區解決地下施工障礙的新技術。

目前，國內外對凍結加固礦山暗挖技術的研究主要集中在凍結壁的設計分析、支護結構計算、溫度場作用下凍脹融沉的驗算等方向[1-3]，對開挖施工過程的模擬較少。本文采用MIDAS/GTS軟件對上海軌道交通18號線區間下穿運營中軌道交通10號線國權路站的凍結暗挖施工進行全過程數值模擬，研究施工全過程中暗挖土體的位移變化規律。

1 工程概況

上海軌道交通18號線國權路站—復旦大學站區間隧道下穿運營中的軌道交通10號線國權路站，區間與車站底板最小豎向凈距2 m。軌道交通10號線國權路站圍護結構為地下連續墻，盾構難以穿越，設計采用水平凍結法對國權路車站底板下土體進行加固，然后采用礦山法暗挖，鑿除原有10號線地下連續墻，并形成一次支護，盾構從支護體內穿越，如圖1所示。

圖1 上海軌道交通18號線區間與國權路車站位置示意

本工程凍結暗挖段基本概況如下：

1）暗挖隧道直徑為7.3 m，上、下行線隧道凈間距為6.84 m，暗挖隧道覆土厚度為18.4 m。

2）凍結壁設計厚度為2 m，凍結溫度為-10 ℃，凍結壁長度38 m。

3）開挖長度為36 m，單次開挖進尺1 m，分左上、左下、右上、右下4塊依次開挖，單次開挖半圓形土體，每開挖1 m即施工一榀環形鋼拱架及臨時支撐。

4）環形支護鋼拱架為HW300 mm×300 mm×10 mm×15 mm型鋼，臨時支撐的主要支撐為20a#（200 mm×100 mm×7 mm）工字鋼，次要支撐為10#（100 mm×63 mm×4.5 mm）工字鋼（圖2）。

圖2 凍結暗挖斷面

2 工程地質情況

根據上海軌道交通18號線一期工程詳勘階段國權路站的巖土工程勘察報告，工程地層參數如表1所示。

表1 地層參數

3 數值計算模型

3.1 數值模擬假設及參數設定

本文采用MIDAS/GTS軟件對凍結暗挖施工進行數值模擬，對土體和凍結體做以下幾點假設：

1）根據地勘報告，凍結暗挖隧道所處地層變化平緩，土層厚度較為均勻，故假定土層厚度均勻。

2）礦山暗挖法開挖的影響范圍為單側15 m。

3）凍結施工完成后凍結壁為-10 ℃的等溫體，且各處厚度皆等于2 m。

4）假設凍結壁所包圍的被開挖土體同樣為-10 ℃的等溫體，強度等于凍土。

5）假設凍土與未凍土均為彈塑性體，采用摩爾-庫侖本構模型及實體單元模擬。

環形支護鋼拱架以及臨時鋼支撐均為彈性體，通過彈性本構及梁單元進行模擬，其各自物理力學參數取值如表2所示。

表2 力學參數取值

3.2 開挖影響范圍研究

取水平方向影響范圍為3倍開挖寬度，豎直方向影響范圍為5倍開挖深度，建立的模型長（x方向）85.44 m、寬（y方向）38.00 m，深度方向（z方向）為60.00 m，長度與深度均較大。

數值計算中，地表為自由邊界條件；模型前后邊界的y方向位移限制為零，x及z方向自由；模型左右兩側邊界的x方向位移限制為零，y及z方向自由；模型底部邊界的x、y、z方向位移限制為零，其他方向自由。

先模擬左上土體開挖，開挖進尺取0.5 m，共模擬6次開挖進尺，開挖長度為3 m，研究開挖引起的周邊土體位移影響范圍，計算結果如圖3所示。

圖3 土體位移等值線圖

由圖3可看出，最外側等值線以外的土體位移很小，可忽略不計，所以取左上土體開挖的x方向影響范圍為開挖直徑的1.5～2.0倍，z方向影響范圍為開挖高度的3～4倍。左上開挖直徑7.3 m，開挖高度3.65 m，則取影響范圍為15 m。

據此，重新建立模型，模型長（x方向）51.44 m、寬（y方向）38 m，深（z方向）為50 m。模型節點總數為21 100個，單元總數為41 198個，模型如圖4所示。

圖4 計算模型

初次建立的模型完成單次開挖模擬耗時0.5～1.0 h，總計算時長約5 h，時間非常長；新建模型單次開挖模擬時間大大縮短，為5～10 min。由此看出，開挖影響范圍的選擇非常重要，合適的尺寸可以在保證計算精度及可靠性的基礎上加快計算速度。

3.3 開挖進尺研究

設計給定的開挖進尺為1 m，本文以左側隧道開挖為例，對1、2、3 m的開挖進尺分別進行模擬，研究不同開挖進尺對凍結壁收斂的影響，計算結果如圖5～圖7所示。

圖5 開挖進尺為1 m時z方向位移云圖

圖6 開挖進尺為2 m時z方向位移云圖

從圖5～圖7可知，開挖進尺分別為1、2、3 m時，凍土壁頂部最大下沉量分別為-7.5、-18.7、-32.4 mm，底部最大抬起量分別為3.7、7.9、11.9 mm。隨著開挖進尺的增大，凍土壁的收斂變形也隨之增大。在設計文件中，設計要求凍土壁的收斂報警值為±20 mm。根據本文的數值模擬，開挖進尺為2 m時，凍土壁收斂變形已逼近報警值。所以，為了保證施工安全，防止偶然因素發生，設計要求開挖進尺不超過1 m。

圖7 開挖進尺為3 m時z方向位移云圖

4 開挖過程模擬

4.1 開挖工況

根據實際開挖順序，對上、下行線開挖區域進行編號，均各自分為6個區域，如圖8所示，開挖順序如圖9所示。

圖8 開挖區域編號示意

圖9 開挖順序

開挖長度36 m，單次開挖進尺1 m，則根據開挖順序對所有的被開挖土體分別進行了編號，按照y方向排序，分別為左上1～36、左下1～36、右上1～36、右下1～36。

4.2 多工況連續計算分析

采用多工況連續計算的方法對開挖過程進行模擬。先模擬左上1～7土體開挖過程，圖10、圖11為左上1和左上7的計算結果。

圖10 左上1開挖z方向位移云圖

圖11 左上7開挖z方向位移云圖

將左上1～7土體開挖結果進行整理，并對后續工況進行了預測，結果如圖12、圖13所示。

圖12 左上開挖1～7最大隆起量及預測曲線

圖13 左上開挖1～7最大沉降量及預測曲線

根據計算結果可知，沉降隆起量會隨著開挖的逐步進行而逐漸增大，且呈現不可控趨勢，而在實際施工中，左、右隧道累積豎向位移均小于±10 mm，累積收斂變形均小于±5 mm，因此多工況連續計算的方法與實際不符。這是由于在多工況連續計算中，位移和應力是逐次累加的，上一工況的位移和應力將作為下一工況的初始應力和位移狀態。凍土作為一種較硬的介質，性狀類似硬巖，局部凍土體的開挖所導致的應力重分布是一個緩慢而持續的過程，應力釋放并不會在瞬間傳遞到未開挖的土體上，而有限元計算軟件中的施工階段是通過瞬時“殺死”被開挖土體單元來實現對開挖土體的模擬，這種矛盾導致了如下的結果——隨著開挖步序的進行，位移及收斂逐漸增大，又進一步疊加至下一步的工況中。所以除第一步開挖工況外，后續工況的計算結果不能反映實際工況及位移變形。這種多工況連續計算的模擬方式較為適合基坑開挖的模擬，不適用于凍結加固后的礦山法暗挖施工模擬。

4.3 修正計算分析

針對上面的問題，在開挖進尺較小的情況下，在每個開挖工況模擬前均對初始應力狀態進行修正，將初始位移歸零，抵消前序工況位移及應力對本次工況的疊加影響。表3和圖14為采用修正計算方法的計算結果與現場實測數據對比。從表3和圖14可知，模擬計算的位移變化趨勢與實際基本吻合，能夠反映施工過程中暗挖土體的位移變化規律。

同時，對于左上及右上土體的開挖，土體隆起的主要位置為開挖土體正下方未開挖土體頂部的兩側，隆起的極值為8.5～31.8 mm；土體沉降的主要位置為前方開挖面的上部，沉降的極值為-6.2～-2.1 mm，如圖15所示。

對于左下及右下土體的開挖，土體隆起的主要位置為前方開挖面未開挖土體頂部的兩側，隆起極值為9.0～10.3 mm；土體沉降的主要位置為前方稍遠處未開挖土體的左右兩側，沉降極值為-1.2～-0.2 mm，如圖16所示。