浅埋暗挖施工中土体与衬砌结构间应力调节机制研究.pdf

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[摘要]以北京地铁4号线西四站为背景，运用FLAC3D软件对施工过程进行三维动态模拟，对开挖过程中主体结构周边土体与衬砌结构的应力发展与调节过程进行详细研究，从而从根源上分析最终的位移场是经过怎样的应力重分布过程形成。研究结果表明：各导洞开挖时，其两侧土体中会出现较大的压应力，底部土体存在较大拉应力。弧线型格栅比直线型格栅受力状态较好。下层导洞在侧洞向中洞过渡的尖角部位所受拉应力较大。开挖过程中，掌子面前方2左右范围内土体会发生剪切破坏。另外，随着非对称开挖向对称开挖的转变，应力场能够很快调整到对称分布，而位移场的调整则需要较长的时间。[关键词]隧道工程；地铁；车站；浅埋暗挖；衬砌；应力

内容摘抄：

1工程概况
北京地铁4号线全长28.18km,共设24座车站，其中地下站23座，地面站1座，地下站中采用暗挖法和明、暗挖法结合的车站11座。西四地铁车站采用岛式站台，站台宽度14m,车站全长204.8m。车站采用两端明挖中间段暗挖的施工方案。车站主体暗挖段标准横断面如图1所示。车站暗挖段采用三拱两柱单层复合式衬砌结构，拱顶上部覆土约11.34m,暗挖段标准断面宽23.90m、高11.63m。

2施工开挖方案
开挖方式采用侧洞法，如图2所示，图中数字为开挖顺序。

3数值模拟
3.1建模方法
x轴为横向方向，车站横断面标准段宽23.90m,考虑到边界效应以及计算的需要，模型宽度为60.0m;z轴方向为竖向方向，中洞拱顶覆土11.339m,中洞拱高11.630m,下边界取中洞底拱以下约1倍中洞拱高，竖向总计高度为35.0my轴方向为纵向方向，总长41.4m。采用ANSYS软件进行模型的构建，并划分出网格。然后利用两个软件中节点和单元的对应规律即可将ANSYS中建好的模型导入到FLAC3D中。模型如图3所示。其中，单元数为69846个，节点数为73960个。
3.2边界条件
模型采用位移边界条件，固定模型左右两边横向位移（即x方向位移），前后边界的纵向位移（即y方向位移)，底边界的竖向位移（即z方向位移）。

4结果分析
开挖之前的初始原岩应力场垂直应力最大值约为-7.2MPa。

4.1左洞开挖阶段
1)第1步左洞1号导洞开挖1.8m。
左洞1号导洞开挖1.8m后模型应力及位移变化云图如图5所示。1号导洞两帮土体应力由-0.3MPa升高为-0.5MPa;格栅局部压应力达到-1.34Pa;1号导洞底板（临时格栅）下部土体应力由-0.3MPa降为-0.1MPa,这是其上方土体开
挖产生突然卸荷造成的直接影响。此时，底部土体在其下部土体的作用下向上运动，如图5c所示。发生了剪切或拉伸破坏，图5b所示模型的塑性破坏区分布说明了这点。另外，从图中还可以看出两侧土体也发生了剪切破坏；1号导洞顶部土体在超前支护层的作用下，只发生了小区域的拉伸破坏。

（略）

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