利用数值模拟对管廊暗挖不同施工方法的研究

《利用数值模拟对管廊暗挖不同施工方法的研究》论文发表期刊：《防护工程》；发表周期：2020年06期

《利用数值模拟对管廊暗挖不同施工方法的研究》论文作者信息：刘佳杰(1988—)，男，硕士，工程师，主要从事施工技术研究和管理。

　　摘要 依托北京新机场高速公路地下综合管廊工程，针对非对称地下管廊暗挖穿越粉细砂地层的特殊情况，利用有限元数值模拟软件MIDAS，建立了中洞法及侧洞法三维数值模型，从地表沉降、拱顶沉降、水平收敛等3个变形参数对不同施工方法进行对比，结合实际沉降曲线分析发现：侧洞法在上述3个变形参数方面均优于中洞法施工，侧洞法模拟更接近实际情况。

　　关键词 数值模拟：地下管廊：暗挖;中洞法;侧洞法

　　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，国内学者已经对地下管廊暗挖进行了一定研究，取得了一定的成果。韩金朋等四阐述了国内外地下综合管廊的发展历程和现状，对我国现行管廊结构进行了总结;王魁等口以郑州首座地下管廊为研究对象，利用ABAQUS建立土体和管廊的三维有限元模型，研究土体与地下管廊之间的静力相互作用，从而得到了地下管廊在正常使用过程中的受力和变形规律;黄懿[基于湖南某综合管廊实体工程，通过有限元分析软件ABAQUS进行数值模拟，研究了二维工况下重型车辆荷载以垂直走向通过综合管廊结构时结构的受力和构件位移特征：吴余海以北京市通州综合管廊上穿地铁6号线暗挖施工为工程背景，采用ABAQUS软件对暗挖施工过程进行建模，分析管廊开挖过程对隧道结构及周边土体的影响。石家志等53用ANSYS研究北京地铁10号线北土城-安贞门站区间三联拱隧道中洞法开挖过程，发现中洞的开挖施工是造成地表下沉的主要原因;潘茜等[采用有限元软件PLAXIS研究北京十四号线三联拱隧道侧洞法施工，认为侧洞上部施工时沉降较大，应尽快封闭成环。

　　三联拱隧道虽然在结构形式上与三洞管廊有相似之处，但是相比于管廊，隧道的截面尺寸普遍较大，这导致三洞管廊的施工方法与三联拱隧道施工方法有很大的不同，使得专门对地下管廊施工工法的研究更有必要。

　　本文以北京新机场高速公路地下综合管廊工程项目为依托，利用岩土隧道专用软件Midas GTS建立三维有限元数值模型，并与实际监测数据进行对比，研究非对称地下管廊暗挖在采用不同掘进方式施工的土体力学响应规律，比较中洞法开挖及侧洞法开挖2种施工工艺的特点。

　　1工程概况

　　北京新机场高速公路地下综合管廊工程位于北京市南部，北起南四环公益东桥，南至新机场北围界，全长36 km.如图1所示，管廊断面设计为三舱，左侧洞电力舱净宽2.6 m，中洞水信舱净宽

　　3.9m，右侧洞高压电力舱净宽2.0m.主体结构外轮廓尺寸11.8 m x5.32 m地下综合管廊采用暗挖施工方法下穿2条既有公路，分别采用中洞法和侧洞法施工，2处下穿既有公路的管廊截面相同(见图1)，2处既有公路的地质情况基本相同：管廊下穿既有公路部分拱顶埋深6.48 m，主要地层从上到下可概化为粉细砂层，细砂层，黏土层，圆砾-卵石层，在勘察范围内未见地下水，如图1所示。

　　2 暗挖施工方法

　　中洞法施工，即先开挖中洞( 水信舱) ，中洞开挖一定长度后，再开挖两侧洞( 电力舱和高压电力舱) 。中洞法施工步序为: (1) 深孔注浆加固地层，一次12m，段与段之间搭接2m;(2)上下台阶法开挖中间导洞断面土体，并预留核心土，架立钢格栅，采用锁脚锚杆加固墙脚，挂网喷射初支混凝土，上下台阶错开5m;(3)中间导洞全断面成洞10m后同时施做左右两侧导洞深孔注浆：(4)上下台阶法同时开挖左、右侧断面土体，并预留核心土，架立钢格栅，采用锁脚锚杆加固墙脚，挂网喷射初支混凝土，上下台阶错开5m，如图2所示。

　　侧洞法施工与中洞法施工的主要不同点是中洞和侧洞开挖顺序不一样，侧洞法是先同时开挖两侧洞，两侧洞开挖10m后，再开挖中洞，侧洞法施工步骤详见图3。中洞和侧洞的开挖方式及参数要求均与中洞法相同。

　　3数值模型建立

　　如图4所示，土层数值模型的尺寸为50 mx

　　22 m x35 m(长x宽×高)，该尺寸可保证模型的边界效应足够小。有限元模型的尺寸在3个方向上均大于管廊开挖的影响范围，因此可认为底面和4个侧面固定不动，由此得到了模型的位移边界条件。三维有限元模型中的地层自上而下依次简化为等厚的成层土，同一土层中的土体假定为均匀、连续及各向同性，土层厚度依据场地内各土层埋深的变异性及起伏性综合考虑确定，共5层，具体参数取值如表1所示。在管廊开挖前进行初始应力分析，即让模型在重力作用下进行沉降，得到模型的初始应力状态。

　　中洞法与侧洞法均采用完全相同的管廊结构断面形式、埋深、地质参数、边界条件、初期支护结构。

　　由于管廊二衬施工与初次支护时间间隔较长，因此模拟中不考虑二次衬砌在支护中的作用[。由勘察资料可知，该工程地下水位位于勘查最大深度外，因此也无需考虑地下水的影响。根据不同施工顺序及施工方法建立的中洞法和侧洞法的管廊数值模型详见图5

　　土体采用实体单元，修正摩尔-库伦模型。管廊初支结构采用板壳单元来模拟，锚杆采用梁单元来模拟，均为弹性体模型。计算模型上表面为对应土压力载荷，底部为固定位移约束，各侧面均为对应方向的位移约束，在管廊开挖前，让模型土体在重力作用下沉降，得到模型的初始应力状态。

　　在模拟过程中，通过网格的激活与钝化来模拟实际动态的施工过程，单元被钝化后并没有将单元移走，而是将其变为无效，即钝化单元质量被设置为零，刚度被适当缩减。单元被激活后，它的质量、刚度、阻尼及单元荷载恢复原值。利用管廊土体的钝化模拟管廊开挖：利用板单元的激活模拟初期支护的建立：利用锚杆单元的激活模拟锚杆的建立：利用管廊上部土体的属性改变模拟深孔注浆。数值模拟过程中，开挖每次进尺0.5 m.

　　中洞法和侧洞法的数值模拟中，地表沉降监测线及管廊监测断面均设在宽度中点位置(见图6)。在管廊中洞和两侧洞拱顶位置各设置一个拱顶沉降监测点，同时在每个舱内设置水平收敛监测点。在施工现场，分别在中洞法和侧洞法施工的管廊长度方向中线位置设置一条地表沉降监测线，进行实际地表沉降监测。

　　4 数值模拟分析比较

　　4.1 中洞法数值模拟分析由图7可得，在中洞法施工数值模拟过程中，数值模拟监测断面中洞拱顶沉降在中洞上台阶开挖之前受前部土体开挖扰动，会有略微沉降：至中洞上台阶开挖附近，沉降开始逐步增大，沉降速率在中洞上台阶开挖和中洞下台阶开挖施工步之间达到最大，此时开挖截面属于未封闭状态;中洞下台阶开挖施工后，沉降速率明显减小，沉降逐渐趋于平缓，此时开挖截面处于封闭成环的状态，这说明支护封闭成环对沉降控制有明显作用;两侧洞上台阶开挖后，沉降速度又略有增加;在两侧洞下台阶开挖完成后，侧洞封闭成环以后沉降速度再次下降，沉降最终趋于平缓，说明中洞沉降受到侧洞施工的影响。数值模拟监测断面左右侧洞拱顶沉降在中洞上台阶开挖之前较小，但在中洞上台阶开挖之后较大，说明两侧洞拱顶沉降受中洞前部土体开挖扰动较小，但受监测断面附近土体开挖影响较大;两侧洞上下台阶开挖规律与中洞上下台阶开挖相似，即上台阶开挖后沉降速率较大，下台阶开挖后沉降速率逐渐减小，沉降趋于平缓。左侧洞沉降大于右侧洞沉降，说明开挖截面越大，最终沉降越大。

　　表2为中洞法在数值模拟中各施工阶段三洞沉降占各洞总沉降百分比，施工步骤与图7相对应。由表可得，中洞最大沉降部分出现在上台阶开挖之后，支护未封闭成环之前，侧洞最大沉降部分出现在侧洞上台阶开挖之后，侧洞支护未封闭成环之前。同时，侧洞沉降在中洞开挖未封闭时的沉降也较大。

　　4.2 侧洞法数值模拟分析由图8可得，在侧洞法施工数值模拟过程中，监测断面侧洞拱顶在侧洞上台阶开挖之前同样受前部土体开挖扰动，会有略微沉降：至侧洞上台阶开挖附近，沉降开始逐步增大，沉降速率在侧洞上台阶开挖和侧洞下台阶开挖施工步之间达到最大，此时开挖截面属于未封闭状态;侧洞下台阶开挖施工后，沉降速率明显减小，沉降逐渐趋于平缓，此时开挖截面处于封闭成环的状态，这说明支护封闭成环对侧洞法沉降控制同样有明显作用：中洞开挖，支护对侧洞拱顶沉降的影响较小：左侧洞沉降大于右侧洞沉降，同样说明开挖截面越大，最终沉降越大。

　　监测断面中洞拱顶在侧洞上台阶开挖之前沉降较小，但在侧洞上台阶开挖之后沉降较大，说明中洞拱顶沉降受侧洞前部土体开挖扰动较小，但受监测断面附近土体开挖影响较大：中洞上下台阶开挖规律与侧洞上下台阶开挖相似，即上台阶开挖后沉降速率较大，下台阶开挖后沉降速率逐渐减小，沉降趋于平缓。

　　表3为侧洞法在数值模拟中各施工阶段三洞沉降占各洞总沉降百分比，施工步骤与图8相对应。由表可得，两侧洞最大沉降部分出现在两侧洞上台阶开挖之后，支护未封闭成环之前，中洞最大沉降部分出现在中洞上台阶开挖之后，中洞支护未封闭成环之前。同时，两侧洞沉降受中洞开挖未封闭时的影响较小，这是由于侧洞已经封闭成环，中洞开挖对两侧洞影响有限。

　　4.3中洞法及侧洞法对比分析由表4可知，数值模拟中：中洞法中3洞的最大拱顶沉降值均大于侧洞法中的最大拱顶沉降值;在中洞法和侧洞法中，最大拱顶沉降值与洞截面面积成正比，即洞截面面积越大，其最大拱顶沉降值就越大。侧洞法中3洞最大水平收敛值均小于中洞法3洞的最大水平收敛值：两侧洞的最大水平收敛值在中洞法中相等，在侧洞法中近似相等，说明两侧洞的截面面积差对最大水平收敛值影响较小。根据数值模拟的结果，从最大拱顶沉降值及最大水平收敛值考虑，侧洞法施工均优于中洞法施工，侧洞法施工稳定性更好。

　　由图9可得，数值模拟中: 中洞法及侧洞法地表最大沉降值均出现在管廊中洞中心线上，中洞法地表最大沉降为-5.3 mm，侧洞法地表最大沉降为-3.2 mm，中洞法地表沉降最大值明显大于侧洞法。

　　实测数据中：中洞法施工和侧洞法施工的管廊地表沉降监测线的沉降曲线与数值模拟的沉降曲线形式基本相同，最大沉降值也出现在管廊中洞中心线上。实测数据中，中洞法地表最大沉降为-5.8 mm，侧洞法地表最大沉降为-3.6 mm，中洞法地表沉降最大值明显大于侧洞法，与数值模拟的结论相一致。这是由于中洞法施工时，中洞先行开挖，开挖截面较大，对土体的扰动也相应较大：而侧洞法施工时，两侧洞先行，各自开挖截面较小，且位置相对分散，中洞开挖后，中洞初支可直接搭在两侧洞上，使中洞下台阶施工对中洞拱顶影响较侧洞法影响更小。从地表沉降值考虑，侧洞法也优于中洞法，侧洞法施工对土层的扰动较小，管廊结构外土体稳定性与中洞法相比更好[。

　　另外，对应位置上的地表沉降，实测沉降值均大于数值模拟沉降值。相比中洞法施工，侧洞法中的数值模拟沉降曲线与实测沉降曲线更为接近和相似。

　　5结论

　　针对大断面非对称地下管廊暗挖穿越粉细砂地层的情况，利用有限元数值模拟软件对不同工法进行对比分析，主要得出以下结论：

　　(1)拱顶沉降在掌子面推进到监测断面附近达到最大，沉降速率也是最快，变形剧烈，随着掌子面向后推移，沉降位移开始减小，沉降速率减缓，并且逐渐趋于稳定。

　　(2)先后开挖的洞室会相互影响，如中洞法施工过程中，侧洞在未开挖时受到中洞的开挖产生沉降，中洞在侧洞开挖后沉降速率第二次变大，后随侧洞支护成环第二次减少。

　　(3)拱顶沉降位移与洞室截面面积的大小成正比关系，由于三洞截面面积大小关系为：中洞>左侧洞>右侧洞，因此沉降位移也显示为：中洞位移>左侧洞位移>右侧洞位移。

　　(4)侧洞法施工在地表沉降，拱顶沉降，水平收敛3个变形参数方面均优于中洞法。

　　(5)从地表沉降曲线中可知，侧洞法数值模拟结果比中洞法的更贴近实际监测。

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