1、隧道超大断面突变小断面施工开口部位岩石体应力及位移研究摘要：本文主要依托金山寺车站及其出入口通道的施工工程，通过弹塑性有限元进行模拟，对隧道大断面突变小断面施工开口部应力及位移的分析，提出一种新的开挖方法，从而指导车站和出入口通道施工，为类似工程提供一种合理的施工方法。 关键词：隧道；大断面突变小断面；岩体应力及位移 中图分类号：U45 文献标志码： 文章编号： 0 引言 近年来，随着我国社会经济快速发展，城市化进程加快，地面交通增长十分迅猛，造成城市公共交通压力愈来愈大，而城市地铁是缓解这一矛盾的主要途径。地铁建设显著特点为：城市周边环境复杂、影响因素多，如地铁车站周边建筑物多，市政道路下各
2、种管线多，地铁出入口通道及风道比较多。 国内在隧道大断面与小断面连接贯通处施工方法以小断面渐变挑大断面的方式为主，或以盾构法从小断面推行至大断面。在施工时间顺序上一般采用在主体二衬完成后进行出入口、风道、区间隧道掘进的方式。但以钻爆法且不能渐变贯通的掘进方法和主体与附属同时组织掘进施工、流水作业的方式即超大断面突变小断面施工方法研究国内未见文献报道。因此，有必要研究隧道大断面突变小断面隧道施工技术问题。 1 工程概况 金山寺车站位于渝北区白云路和礼嘉大道交汇处。车站里程 YCK36+298.791YCK36+495.391，车站全长 190.5m，含出入口 3 座、风道及风井 2 座、紧急疏散
3、通道 1 座 、施工通道一座（含 233m 主通道和193m 支通道)。开挖总宽 20.6m,总高度为 17.4m，开挖断面为 306.4m2 顶板埋深约为 2740m，属于深埋车站。施工通道开挖宽 6.6 米，主通道接车站上导坑，主通道外边缘距离车站大里程端头 44.46 米，距支通道外边缘 125.09 米，接车站上台阶；支通道接车站下导，外边缘距小里程端头 7.75 米。 2 开洞工况设计 车站主洞采用三台阶法开挖，出入口采用以下三种工况进行开挖，运用弹塑性有限元进行模拟分析，得到不同工况下大断面突变小断面施工开口部位的应力及位移情况。为减小边界效应保证计算的准确性，模型尺寸为：隧道中线
4、左右分别取 50m，竖直向上取至地表，地表至下边界40m 纵向取 30m,因隧道埋深较浅，故计算时按自重应力场考虑。整个计算模型有限元网格共有 349819 空间单元，节点总数为 119700 个。 计算区域左右侧向边界水平位移及前后侧面水平位移被约束以模拟场地的半无限远边界，底面沿竖直方向位移被约束，按照空间问题计算。有限元模拟计算以初始地应力场（包括重力和上部荷载） 、隧道开挖等过程进行，根据公路隧道设计规范 （JTG D70-2004）在模拟开挖过程中，隧道开挖和初期支护在相应边界节点应力释放 60%，施作二衬和仰拱完成后在相应边界节点应力释放 40%。 2.1 主洞二衬施做完成后开挖出
5、入口开挖步骤 数值模拟分九步进行：模拟初始地应力场；隧道上部台阶开挖；隧道上部台阶初期支护、改变加固区材料；隧道出入口开挖；隧道中部台阶开挖；隧道中部台阶支护，改变加固区材料；隧道下台阶开挖；隧道下部台阶初期支护、改变加固区材料；施作隧道二次衬砌。 2.2 主洞上台阶初支施做完成后开挖出入口开挖步骤 数值模拟分 10 步进行：模拟初始地应力场；隧道上部台阶开挖；施作上部台阶初期支护、改变加固区材料；隧道中部台阶开挖；施作中部台阶初期支护、改变加固区材料；隧道下部台阶开挖；施作下部台阶初期支护；施作主洞二衬；左右进出口开挖；施作两端进出口二衬支护。 2.3 主洞上台阶开挖与出入口开挖同时进行开挖
6、步骤 数值模拟分八步进行：模拟初始地应力场;隧道上部台阶和出入口开挖;隧道上部台阶初期支护、改变加固区材料；隧道中部台阶开挖；隧道中部台阶支护，改变加固区材料；隧道下台阶开挖；隧道下部台阶初期支护、改变加固区材料；施作隧道二次衬砌。 3 三种工况下出入口开挖结果分析 1)开挖后第一主应力分析 工况一最大值 13.1MPa；工况二最大值 13.6Mpa；工况三最大值0.04Mpa（见图 3.1） 。 (a) 工况一(b) 工况二(c) 工况三 图 3.1 隧道围岩第一主应力云图 2)二衬第三主应力分析 工况一最小值-2.15MPa；工况二最小值-11.7Mpa（见图 3.1） 。工况三最大值-2
7、.0Mpa（见图 3.3） 。 (a) 工况一(b) 工况二 (c) 工况三 图 3.2 二衬第三主应力云图图 3.3 隧道围岩第一主应力云图 4 结论 经过以上数值模拟分析，针对施工顺序的不同情况，对主要计算结果进行分析，三种情况所计算的位移值相差较小，在所取开挖步结果可看出，位移随着开挖过程逐渐增大。初支应力在出入口隧道开挖时增大明显，三种方法变化趋势相同。 按照设计要求车站附属工程的开挖需在主体二衬完成后再开挖，但这样工期无法满足要求，同时施工风险极大。因此在确保结构安全的情况下，采取有效的方法和措施克服群洞效应的不利影响，为了缩短工程施工时间，降低施工成本。从这三种方案中选取主体隧道上
8、台阶与出入口隧道同时施工，平行作业的施工方案。在车站主体隧道上台阶开挖超过附属洞门一定距离后，同时主体初期支护达到设计强度，出入口与主体同时施工不产生干扰的情况下进入出入口施工。 参考文献： 1 张学富,刘佳祥等.下穿高程建筑的特大跨度超大断面偏压隧道施工方法研究J.铁道学报.已录用 2弹性和塑性力学中的有限单元法 ，机械工业出版社. 3 王国欣,肖龙鸽等.城市浅埋超大断面隧道的开挖方法探讨J.隧道建设,2009,29(6): 658-663. 4 李永利,浅埋大跨度地铁区间隧道的施工工法J.城市轨道交通研究,2003,3(6): 290-295. 5 张建国,王明年,罗禄森等.浅埋大跨度隧道拆撑对初支安全性影响分析J. 岩土力学, 2009,30(2): 497-502.
