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地铁隧道水平局部冻结施工应力与位移场数值模(2)

2014-08-03 01:28       改变冻结壁厚度(018 m、112 m、115 m、118 m) 得到 地表沉降与冻结壁关系曲线见图2 。

图2 　地表沉降与冻结壁厚度的关系

　　　从以上图形可得出如下结论:
(1) 冻结壁的厚度参数是隧道水平冻结施工中的一个重要参数,冻结壁对控制地表沉降的作用很明显。地表沉降在冻结壁厚度S = 112 m 时为12 mm , S = 018 m 时为16 mm(增加60 %), S = 115 m 时为10 mm(减少了20 %) 。
(2) 对于原型工程,其他条件(开挖步距、台阶工作面长度及掘砌工艺等) 不变时,冻结壁厚度可降为018 m ,此时地表沉降量为16 mm ,满足北京地铁施工地表沉降量最大允许值30 mm 的要求,取一倍安全系数,得到合理的冻结壁厚度为115 m。
4 　隧道开挖施工动态数值模拟
      采用虚拟支撑力法来模拟开挖断面的空间效应。在正台阶工作面长度为4 m、开挖步距2 m 以及其他条件都与现场相同的情况下,在模拟程序中设置隧道的顺次开挖拱顶及地表监测点,拱顶处从点( i = 4 , j = 17) 开始, 每隔2 m 设置一个测点, 直至( i = 12 , j = 17) ,前后共设5 个测点;隧道中线垂直上方地表从点( i = 1 , j = 29) 开始,每隔2 m 设置一个测点,直至( i = 33 , j = 29) ,前后共设17 个测点。分析隧道中线垂直上方地表各点、拱顶各监测点的沉降数据得到如下结论:
(1) 当掌子面开挖到与测点距离相差110～115 倍洞径时,隧道开挖就对地表产生影响,造成一定范围的沉降。
(2) 当开挖工作面推进到距离超过测点2～3 倍洞径时,变形速率逐渐稳定下来,主要是地层的变形逐渐趋于平缓。
在开挖第5 步时,改变开挖步距( L 0 = 2 m、3 m、4 m) ,得到拱顶测点( i = 1 , j = 17) 的位移沉降历史图(图3) 。　　分析表明,在开挖步距L0 = 4 m 的情况下,检测点
注:菱形点、方点及三角点分别代表开挖步距为2 、3 、4 m 。

图3 　不同开挖步距对应的拱顶沉降历史

　

( i = 1 , j = 17) 地表下沉量约为L 0 = 1 m 的117 倍。在现有施工能力及组织水平的基础上,根据图示的数据比较,考虑选择开挖步距L0 = 3 m 是较为合理的。在开挖第5 步时,改变台阶工作面长度( L = 2 m 、3 m、6 m) ,得到地表测点( i = 1 , j = 43) 的沉降历史图(图4) 。
注:菱形点、方点及三角点分别代表开挖步距为2 、3 、4 m 。

图4 　不同台阶工作面长度对应的地表沉降历史

　       分析表明,适当降低台阶工作面长度对地表沉陷及拱顶下沉量的影响不大,但增大台阶工作面长度却能明显地减少地表的沉陷值及隧道的收敛变形值。在北京复—八线采用水平冻结法施工时,台阶工作面的合理优化长度L = 5 m 。
5 　结论
(1) 通过基于原型工程的数值模拟可得到隧道水平冻结法开挖施工中应力场、位移场分布特征。
(2) 通过数值计算得到的考虑地表沉降情况下的合理冻结壁厚度为115 m 。
(3) 通过隧道开挖施工动态数值模拟,得到随着工作面的推进,隧道上方地表各点的沉降规律为:当掌子面开挖到与测点距离1～115 倍洞径时,隧道开挖就开始对地表产生影响,造成一定范围的沉降;当开挖到距离超过测点2～3 倍洞径时,该地表变形速率逐渐趋于平缓。
(4) 通过数值计算,得到北京地区地质条件下水平冻结法施工的合理开挖步距L 0 = 3 m 和合理台阶工作面长度L = 5 m 。

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论文出处(作者):乔京生　陶龙光