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1、北京地铁六号线青年路车站十里堡车站区间隧道穿越铁路FLAC3D数值分析报告中国矿业大学（北京）土木工程系二一零年一月1.概述1.1引言地铁区间隧道盾构法施工是目前广泛采用的隧道施工技术。在我国，地铁施工造成地面沉陷、周边建（构）筑物损害、隧道涌水、城市生命线工程损害等事故时有发生，往往造成严重的经济损失与社会影响；其中隧道施工引起地层沉降的三维预测与控制问题尤显重要。在隧道工程施工以前，国内外普遍采用数值模拟分析计算的方法预测施工引起的地表变形及对周边建构筑物的影响。即将建设的北京地铁六号线工程青年路车站十里堡站区间隧道工程，盾构隧道从铁路下穿过，考虑到建筑物稳定性的需要，需对此施工过程进行数
2、值分析。本报告采用国际上最先进的岩土工程数值分析软件系统，对隧道施工进行了三维数值分析，来说明隧道施工的先后顺序。1.2工程概述十里堡站青年路站区间沿现状朝阳北路道路南侧地下敷设，线路呈东西走向，西段区间起于朝阳北路与十里铺路相交路口的十里堡站，出站后沿朝阳北路路中向东敷设，线路经过一人行天桥、京包铁路及箱涵，止于朝阳北路与青年路相交路口的青年路站。区间全长1041.54m，采用盾构法施工。在区间中部穿越京包铁路及京包铁路下的箱涵。铁路箱涵外包尺寸43.15m7.8m，采用混凝土预制顶进施工，箱涵的南北两侧局部设置护坡桩，桩长约14m。铁路为5股道，分别是电厂专用线，东北环线，星双联络线，砖瓦
3、厂专用线和建材厂专用线。2三维数值分析建模与软件系统概述地铁隧道施工是典型的三维空间问题，盾构隧道施工引起的地表沉降具有显著的时空效应。隧道施工动态过程引起地层移动变形包括：先期沉降、前方沉降或隆起、通过时的沉降、建筑空隙引起的沉降与滞后沉降等。隧道施工对地表影响的研究方法有：经验公式、随机介质理论法、弹塑性与粘弹塑性理论解析法、数值计算方法等。施工之前，基于现场工程条件的三维数值模型是计算地表沉降最有效的手段。基于三维数值分析的方法，能模拟实际土层的变异情况、盾构管片结构围岩共同承载特性、盾构施工的工艺参数、壁后注浆参数等，使预测趋于合理。2.1 数值分析的建模依据（1）北京地铁6号线一期工
4、程初步设计文件（2008.9）；（2）北京地铁6号线一期工程初步设计审查意见；（3）北京地铁6号线环境安全风险源分级汇总表（2009年4月）（4）北京地铁6号线一期工程施工设计技术要求(送审稿)；（5）北京地铁6号线一期十里堡站青年路岩土工程勘察报告及后续的补勘报告；（6）北京地铁6号线一期工程线路资料（电子文件）（7）地铁6号线一期工程地形、管线图（电子文件）（8）降水咨询审查意见（9）北京轨道交通6号线一期工程建(构)筑物调查资料（10）甲方及总体组提供的其他相关文件（11）国家、行业和北京地区相关的设计标准、规范、规程。2.2 计算分析参照的标准规范(1)地铁设计规范（GB50157-2
5、003）(2)建筑结构荷载规范（GB50009-2001）(3)建筑地基基础设计规范（GB5007-2002）2.3 数值计算的建模原则与计算模型概述建模原则：（1）采用三维数值模型，而非二维平面模型，旨在考虑隧道开挖的施工过程影响，便于分析由于施工过程引起地表移动的时空效应问题。（2）考虑盾构法动态施工过程，对该区间盾构隧道施工导致的地面建筑物沉降进行了FLAC3D数值计算分析（3）土层厚度、土层力学参数、地下水位等水文地质条件等按照勘察报告提交的参数进行选取，在不同的纵断面位置，按照建模位置对应的参数选取，土层厚度变化的按照该土层在该位置附近的平均值选取；土层强度参数按照勘察报告提供的建模
6、位置相应钻孔的土层强度参数选取；当该位置无直接的土层勘察数据可选取时，则按照该土层的平均强度参数选取。（4）盾构类型与施工参数，按照北京地铁目前普遍采用的土压平衡盾构，即：数值计算建模考虑土压平衡盾构机在正常掘进工作状态下对上述不同模型的地表及周边建构物的影响。盾构掘进速度按照每天推进67环管片（如6环：7.2m/天）的推进速度进行施工过程模拟。（55）考虑盾构施工过程的同步注浆和壁后注浆对围岩的加固作用，管片及注浆体和围岩共同承载。2.4数值分析用的FLAC3D软件系统介绍本次计算分析采用的软件系统是由美国引进的FLAC-3D系统，它是目前世界上最优秀的岩土工程数值分析软件之一。FLAC-3
7、D是直接针对岩土工程的软件系统，其齐全的岩土材料与支护结构模型和强大计算功能是其他通用有限元软件系统难以比拟的。因此，国际隧道工程及其他岩土工程广泛采用FLAC-3D进行分析计算。FLAC（拉格朗日元法）是基于有限差分的数值计算软件，FLAC3D考虑了岩土材料复杂性、可变性，以及岩土的非均质、不连续、大变形、大应变、非线性和峰值后强度特征。FLAC3D适于隧道工程问题的原因在于它提供了适于岩土特性的本构模型，如横观各向同性、摩尔库伦、剑桥、零模型模拟开挖、应变软化、砌体节理模型以及粘性模型和渗流模型等。对不同介质之间的不连续面可采用交界面模拟等。 FLAC3D比其它软件优越之处还在于它具有很好
8、的支护结构模型，与其他同类软件相比，它能较好地模拟隧道衬砌（管片）、锚杆、支柱和其他支护单元。因此非常适合于隧道开挖等岩土工程问题。FLAC法预计地表沉降时，将沉降视为力学过程，不仅能够预计地表移动，而且可以给出地层的受力状况，并能考虑各种施工因素的影响。FLAC3D可模拟多种不同力学特性的材料，可模拟复杂土层条件，可模拟盾构推进、管片支护、土体变形破坏的渐进过程等；这些都为FLAC-3D在国际上赢得了广泛的声誉。3三维数值模拟的建模应该指出的是，期望采用数值分析模型绝对准确地模拟复杂的盾构隧道施工过程及诱发的地表建筑物沉降是困难的，这与复杂多变的岩土参数、盾构施工参数、注浆参数在一定程度的变
9、异性密切相关。在数值分析过程中，均按照工程的实际工况进行模拟，以下为数值分析建模过程。3.1 计算域的确定计算范围：模型上边界上至地面，下边界至少在隧道底部3D以下，横向取至距隧道中线两侧各6.5D，模型沿隧道轴线长度为20D。模型尺寸足以考虑盾构隧道施工扰动的影响范围。 3.2建筑物荷载条件模拟过程主要考虑建构筑物荷载作用，其荷载为隧道邻近建筑物结构自重。建筑物结构荷载简化为均布竖向矩形荷载（对筏板基础而言），通过建筑物基础在埋深处传递到地基土。条形基础则按照荷载通过基础梁传递到地基的方式施加。3.3边界条件确定模型侧面和底面为位移边界，模型两侧的位移边界条件是约束水平移动，模型底部位移边界
10、为固定边界，约束其水平移动和垂直移动。模型上边界为地表，为自由边界。关于模型的荷载条件，计算模型同时考虑土体重力和水压力作用的水土耦合作用，在计算模型的两侧外边界水平方向的侧向土压力，采用静止土压力作为荷载边界。3.4材料模型以及变形模式土体模型采用弹塑性理论计算，岩土体材料模型采用摩尔-库仑准则，变形模式采用大应变变形模式进行计算。盾构隧道的管片：钢筋混凝土管片，采用弹性本构模型模拟，管片厚度400mm，单元模型采用壳体实体单元。建筑物的基础采用弹性本构模型模拟，隧道旁建筑物的筏板基础采用FLAC3D弹性板壳结构（此处为平板结构单元）单元进行模拟。3.5 计算模型概述计算模型：本次数值分析模
11、型尺寸为：长为170m，宽为190m，高为50m，数值模拟的三维网格模型如图3-1。计算模型大小足以考虑空间效应、开挖、结构加固、地层加固、边界效应等影响。计算模型共计177050个单元，185610个网格点。计算中的所有边界均为位移边界条件，其中模型上表面为自由边界，下表面方向为z方向位移固定，左右边界为X、y方向位移铰支。计算模型分两个模型开挖。第一个模型，第一步开挖左侧隧道，第二步开挖右侧隧道；第二个模型，第一步开挖右侧隧道，第二步开挖左侧隧道。图3-1 盾构隧道模型4 数值模拟与结果分析 4.1先开挖左侧隧道，再开挖右侧隧道4.1.1第一步，先开挖左侧隧道图4-1 第一步开挖后模型竖向
12、位移云图图4-2 第一步开挖后隧道衬砌、筏基、箱涵竖向位移云图图4-3 第一步开挖后模型截面竖向位移云图图4-4 第一步开挖后模型横向位移云图图4-5 第一步开挖后隧道衬砌、筏基、箱涵横向位移云图图4-6 第一步开挖后模型截面横向位移云图图4-7 第一步开挖后模型纵向位移云图图4-8 第一步开挖后隧道衬砌、筏基、箱涵纵向位移云图图4-9 第一步开挖后模型截面纵向位移云图图4-10 第一步开挖后模型横向应力云图图4-11 第一步开挖后模型纵向应力云图图4-12 第一步开挖后模型竖向应力云图4.1.2第二步，开挖右侧隧道图4-13 第二步开挖后模型竖向位移云图图4-14 第二步开挖后隧道衬砌、筏基
13、、箱涵竖向位移云图图4-15 第二步开挖后模型截面竖向位移云图图4-16 第二步开挖后模型横向位移云图图4-17 第二步开挖后隧道衬砌、筏基、箱涵横向位移云图图4-18 第二步开挖后模型截面横向位移云图图4-19 第二步开挖后模型纵向位移云图图4-20 第二步开挖后隧道衬砌、筏基、箱涵纵向位移云图图4-21 第二步开挖后模型截面纵向位移云图图4-22 第二步开挖后模型横向应力云图图4-23 第二步开挖后模型纵向应力云图图4-24 第二步开挖后模型竖向应力云图4.2.1第一步，先开挖右侧隧道图4-25 第一步开挖后模型竖向位移云图图4-26 第一步开挖后隧道衬砌、筏基、箱涵竖向位移云图图4-27
14、 第一步开挖后模型截面竖向位移云图图4-28 第一步开挖后模型横向位移云图图4-29 第一步开挖后隧道衬砌、筏基、箱涵横向位移云图图4-30 第一步开挖后模型截面横向位移云图图4-31 第一步开挖后模型纵向位移云图图4-32 第一步开挖后隧道衬砌、筏基、箱涵纵向位移云图图4-33 第一步开挖后模型截面纵向位移云图图4-34 第一步开挖后模型横向应力云图图4-35 第一步开挖后模型纵向应力云图图4-36 第一步开挖后模型竖向应力云图4.2.2第二步，开挖左侧隧道图4-37 第二步开挖后模型竖向位移云图图4-38 第二步开挖后隧道衬砌、筏基、箱涵竖向位移云图图4-39 第二步开挖后模型截面竖向位移
15、云图图4-40 第二步开挖后模型横向位移云图图4-41 第二步开挖后隧道衬砌、筏基、箱涵横向位移云图图4-42 第二步开挖后模型截面横向位移云图图4-43 第二步开挖后模型纵向位移云图图4-44 第二步开挖后隧道衬砌、筏基、箱涵纵向位移云图图4-45 第二步开挖后模型截面纵向位移云图图4-46 第二步开挖后模型横向应力云图图4-47 第二步开挖后模型纵向应力云图图4-48 第二步开挖后模型竖向应力云图5.数值计算分析结论表5-1隧道开挖顺序对铁路的影响分析施工阶段位移/mm隧道水平隧道竖向地表水平地表沉降先开挖左侧隧道15.2320.256.14.2再开挖右侧隧道25.7525.206.54.
16、4先开挖左侧隧道20.399.718.33.2再开挖右侧隧道20.9517.628.56.81第一个方案，第一步开挖左侧隧道时，隧道水平位移15.23mm，隧道竖向位移20.25mm，地表沉降为4.2mm，地表水平位移为6.1mm。第二步开挖右侧隧道时，隧道水平位移25.75mm，隧道竖向位移25.20mm，地表沉降为4.4mm，地表水平位移为6.5mm。2第二个方案，第一步开挖右侧隧道时，隧道水平位移20.39mm，隧道竖向位移9.71mm，地表沉降为3.2mm，地表水平位移为8.3mm。第二步开挖左侧隧道时，隧道水平位移20.95mm，隧道竖向位移17.62mm，地表沉降为6.8mm，地表水平位移为8.5mm。综上所述，盾构施工顺序对地表沉降起着至关重要的作用。根据变形控制标准：下穿铁路地面沉降控制标准：10mm；铁路线限制标准（暂定）：轨面沉降要求为510mm； 每股轨线的两条轨道高差不得大于4mm 的规定。经计算，第一个方案较好，计算所得地表沉降4.4mm，符合变形控制标准。
