青岛地铁双存车段施工风险评估.doc

1、青岛地铁双存车段施工风险评估摘要 本文采用有限元软件 ANSYS 对青岛地铁双存车段的开挖支护进行了有限元计算分析，通过对全施工过程进行仿真模拟，证实了双侧壁导坑法在大断面隧道开挖支护过程中，位移控制效果良好，结构受力较为合理，并进一步验证了，支护结构参数的合理性和施工方案的可行性。 Abstract In this paper, using the finite element software ANSYS, the excavation of the finite element analysis for the Qingdao subway double parking section,

2、 through the simulation of the whole construction process, confirmed the excavation Twin-Side heading method in large section tunnel supporting process, displacement control effect is good, the structure stress is more reasonable, and further verification the support parameters, the rationality and

3、feasibility of construction project. 关键词有限元仿真模拟双侧壁导坑位移支护结构 Keywords： Finite element Analogue simulationDouble-side heading Displacement Supporting structur 中图分类号：U231+.3 文献标识码：A 文章编号： 本次仿真分析以青岛地铁延安路站和芝泉路站之间双存车段（里程区间为：YCK28+335.002YCK28+547.45）为背景依托，并选取里程YCK28+350 断面进行仿真分析。该段采用矿山法施工，工法应用双侧壁导坑法，隧道为双存车

4、线（四线）断面。分析采用有限元软件 ANSYS 进行了施工过程模拟，地层用板单元 PLANE42 模拟，梁单元 BEAM3 模拟初期支护及二次衬砌，计算模型长 160m，高 64m。不同地层情况通过不同的材料参数来实现，约束情况为约束模型左右两侧的水平位移和底部的竖向位移并加自身重力，模型情况见图 1-1。 图 1-1 计算模型图 不同颜色代表不同的土层，自上到下依次是，第四系、强风化层基岩、中风化层和弱风化层。材料参数如表 1-1 所示。 表 1-1 围岩及材料物理力学指标 由于隧道开挖层完全处于弱风化地层，该地层主要成分为花岗岩，强度高，完整性好，在此没有考虑锚杆作用。 1.1 施工过程介

5、绍 本段大断面采用双侧壁导坑工法进行开挖支护，开挖断面开挖部分详图如图 1-4 所示，开挖步骤为：第一步，开挖左侧上导坑（A1 断面） ，在考虑 30%应力释放率的同时，施做初期支护中隔壁及临时仰拱；第二步，开挖右侧上导坑（A3 断面） ，施做初期支护中隔壁及临时仰拱；第三步，开挖中部上导坑（A7 断面） ，施做初期支护及临时仰拱；第四步，开挖左侧下导坑（A2 断面） ，施做初期支护及中隔壁；第五步，开挖右侧下导坑（A4 断面） ，施做初期支护及中隔壁；第六步，开挖中部下导坑（A5 断面） ，施做初期支护，初期支护封闭；第七步，分步拆撑，附设防水层并施作仰拱；第八步，施作拱部及曲墙二次衬砌，二

6、衬封闭。 图 1-4 开挖部分详图 以上开挖过程中均考虑了开挖变形引起的应力重分布情况，即围岩卸载导致的应力释放。 1.2 结果分析 在模型建完后进行了初始地应力场模拟，竖向位移云图及竖向应力云图如图 1-2 和图 1-3 所示： 图 1-2 竖向位移云图 图 1-3 竖向应力云图 第一步开挖支护完成后，围岩的竖向位移及应力变化如图 1-4，图1-5 所示。 图 1-4 竖向位移变化云图图 1-5 竖向应力变化云图 从位移和应力变化云图上可以看出，土体的开挖打破了原有的平衡状态，由于土体开挖对围岩的卸载作用，造成了在土体开挖上下部位竖向压应力减小，从而导致底部的回弹和拱部沉降，与此同时在开挖轮

7、廓的尖角处出现了不同程度的应力集中现象。 隧道上台阶开挖支护完成后的位移及应力变化云如图 1-6 和图 1-7所示： 图 1-6 竖向位移变化云图 图 1-7 竖向应力变化云图 拆除临时支护，施做拱部衬砌后竖向位移及应力变化云图如图 1-8和图 1-9 所示： 图 1-8 竖向位移变化云图 图 1-9 竖向应力变化云图 全部开挖完并衬砌后竖向位移及应力变化云图如图 1-10 和图 1-11所示： 图 1-10 竖向位移云图图 1-11 竖向应力变化云图 开挖过程中，位移及应力变化随开挖尺度关系如表 1-2 所示： 表 1-2 位移及应力变化表 开挖部位 开挖部序 最大竖向位移拱部沉降/mm 最

8、大竖向位移底部隆起/mm 最大竖向压应力变化/MPa 最大竖向拉应力变化/MPa 1.3 结论 在开挖过程中，由于初始应力平衡被破坏，为了达到新的平衡，伴随着应力的重新分布，围岩要发生一系列的形变，即出现了拱顶沉降、底部隆起及水平收敛，并在开挖边界尖角部位出现了不同程度的应力集中现象，并随着开挖面的扩展，应力重分布的范围及程度也逐步加强。当开挖完右下部分后，右侧围岩对左下角临空面失去挤压应力造成应力变化减小。拱顶沉降位移随开挖尺度的增大而增大，在拆除竖向临时支撑的情况下，竖向位移变化剧烈，说明竖向临时支撑对控制竖向位移有明显作用。但在整个开挖支护过程中竖向位移及应力变化不大，从应力应变角度分析，整个施工过程没有破坏围岩的稳定性，因此，开挖支护过程是安全的。 参考文献 1.青岛市勘察测绘研究院 青岛市地铁 2 号线岩 土 工 程 勘 察 报 告2012.10 2.王新敏.ANSYS 工程结构数值分析人民交通出版社，2007. 3. 混凝土结构设计规范 （GB500102010） 作者简介： 李玉良（1982-） ，男，助理工程师，2011 年毕业于石家庄铁道大学桥梁与隧道专业，工学硕士。