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地铁施工通道下穿既有高速公路施工过程的数值模拟

时间:2020-09-27    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大


地铁施工通道下穿既有高速公路施工过程的数值模拟
张龙 ,韩文杰 ,田祖安 ,陈金 良。
(1.重 庆科技 学 院 数 理 学 院力 学 系 ,重 庆 401331;
2.中交 隧道局 第 四工程 有 限公 司 ,四川 成 都 610091)
摘 要 :地铁施工通道下穿既有 高速公路 的施 工过程,易诱发上方高速公路路 面沉 降,影响公路
正 常运 营.以 某地铁施 工通道 为例 ,运 用 ABAQUS对 其施 工过 程进 行 三 维动 态模 拟 ,重 点分析 了
通 道 开挖 对 上 方 高速 公路 路 面沉 降 的影响 ,得 到 了各 个 开挖 阶段 的路 面沉 降值 以及 支 护 结构 应 力
变化规律.数值计算表 明,通道的开挖不会危及上方 高速公路的正常运营.
关键 词 :下 穿施 工通 道 ;路 面沉 降 ;数 值模 拟 ;高速公路
中 图分 类号 :U 445
文献 标 志码 :A
文章 编号 :2095—355O(2017)02—0001—04
Numericalsimulation ofunder—traversed
highway tunnelconstruction process
ZHANGLong ,HAN Wenjie ,TIAN Zu’an ,CHEN Jinliang。
(1.Departm entofTheoreticaland Applied M echanics,
ChongqingU niversity ofScience and Technology,Chongqing,401331,China;
2,TunnelFourth EngineeringCom pany Limited,Chengdu,Sichuan 610091,China)
Abstract: Thehighwaynormaloperation iseasy to beinfluenced fortheaboveroad surfacesub—
sidenceinducedbytheunder—traversetunnelconstruction.Takingatunnelconstructionchannel
asexample,usingABAQUS tosimulatethe3D dynamicconstructionprocess,theinfluenceof
tunnelexcavation to above highway road surface subsidence isanalyzed,the surface subsidence
valueinallstagesoftheexcavationandsupporting structurestresschangeruleareobtained.Nu—
m ericalcalculation showsthatthetunnelexcavation willnotendangerthenorm aloperation ofa—
bovehighway.
Key words: under—traversetunnel; roadsurfacesubsidence; numericalsim ulation;highway
随 着地铁 工 程迅 速 发 展 ,地 铁 隧道 下 穿 既 有 高
速公 路 的情 况变 得不 可 避 免.如 何使 隧道 施 工 对 高
速公 路 的影 响在 规范 所 要 求 的 范 围之 内 ,从 而保 证
收 稿 日期 :2017—03—26
基金项 目:重庆市基础与前沿研究计划项 目 (cstc2016jcyjA0259);
重 庆市教 委科学技术研究项 目 (KJ1601304)
作者简介 :张龙 ,男 ,四JII崇 州人 ,讲 师,博士 ,主要研 究方 向
为固体力学.
E — mail:longzhang@ cqu.edu.Oil
隧道 工程 和 高 速公 路 的 安 全 性 是 目前 亟需 解 决 的
问题 l1].隧道 的施工 过 程 是应 力 不 断 调 整 的动 态 过
程 ,有 限元 方法 已经 越 来越 多地 用 于 隧道 施 工 过程
的模 拟计算 ,可 以通 过 定量 计 算 开 挖 过程 中应力 分
布情况 及 变 形 趋 势 口 ].本 文 结 合 某 地 铁 施 工 通 道
下穿 既有 高速 公 路 ,应 用 有 限元 软 件 ABAQUS建
立 了施 工通 道三 维 计算 模 型 ,对 该通 道 分 步 开挖 和
支 护进 行模 拟 ,重点 分析 了隧 道建 设 对 上 方高 速 公
路 路面 沉 降的影 响 ,得 到 了各 个 开挖 阶段 的路 面 沉
降值以及支护结构应力变化规律.江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报
17卷
1 工 程 概 况
小工 为某 地 铁 区 『uJ施 通 道 (下 简 称 “施 [
通 道 ”).主要 』
_
1
j于 施 小 问 隧 道 .该 通 道 采 川 直
墙 拱 断 ,标 准断 净 宽 6nl净 尚 5.5n1.施 通
道 令 长约 375m.耍¨ 1.I冬12所 爪 .水 1=秘 危 险 源
主要来 自于 K0+07O.00~K()+ 150.o0段 ,陔段 化
于高速 公路 下 方 .通 道 拱 顶距 离 高速 公路 近
距 离约 12.5n1.根据 地 勘 和 设 tf‘资 料 ,通 道 J:部地
层 主要 由 素 填 土 (Q )、泥 岩 (J2X Ms)干¨砂 岩
(J2x Ss)构成 . 该通道 穿 过泥 岩和 砂 I≮.
图 l 施 工 通 道 与 高 速 公 路 平 面 关 系
Fig.1 Phm ediagram nfchannelconstruction and highway
。 ≥::
//,
0/
~
、夸.
7
6
2,
矽≮
_~
2 有 限元 分 析
2.1 计算 方法 和参 数
计 算 采 用 大 型 商 用 通 用 CAE 分 析 软 什
ABAQUS对 本 _1程进 行 数 优 模 拟 分 忻.通 道 斤
挖 及支 护 的模拟 采 用生死 单元 (modelchange)来
现 .按 照 没计 方 案 。岩土 体 本 构关 系 采j1
J摩 尔一J乍仑
(Morh—Coulomb)准则.考 虑 I 的复 杂 、 土 体
的 确 定性 以 及偏 于安 全 与‘虑 .参 芎 _,本地 的经
验 值 ,隧道岩 土 体物理 力学 性 质参 数建 议fff 表 1.
表 1 通 道 岩 土 体 物 理 力 学 性 质 参 数
Tab.1 Physicaland m echanicalproperties param eter
in geotechnicaiengineering
2.2 模型 的建 立 与计算 步 骤
2.2.1 三 维模 型 本 工 程 危 险 源 主
米 FJ于 K()
+070.00~K0+ lj().()()段 .为 消 除 数 值 模 型 边 界
条件 的影 响 ,计 算模 型 宽 度按 照 通道 的 10倍 取 值 ,
图 4为 整体 模 型 二 维 图.模 型 宽 66.5II1.K l55ri1
(K0+025.00~ K0+l8().00).在 K0+025.00处第 !期
张 龙 .等 :地 铁 施2-通 道 下 穿既有 高速 公路 施 工过程 的数 值模拟
距 离地 面 5.5m,K0+07().00处通 道 顶距 高速 公路
最 近 .仪 l2.5Il1.根 没 汁 要求 开挖 步 K为 5Vii
,支【11『采 川混 凝 土喷铺 支护 . 此 住 计算 通 过 多 少
Jr挖 及 时支 护末 模拟 隧道 J1:挖 及 锵喷
_
护 过 ,即
图 5从 至左 依 次将 支护 编 为 1~2 ,其 一 1~l【)
号每 步 开挖 5n1.20~25号每 步 外挖 10r[1.
图 4 整体 模 型 三 维
Fig.4 Thret~dim ensionaloverallm odel
支 护 结 构 及 其 分段 情 况
Fig.5 Suppurtingstructureandsegmentation
2.2.2 载荷 与边 界 条件 模 型 Inf约 3个 他移
自由度 .BIJ 边 界约 束 水 平 方 向位 移 .路 他 按
照 通道 与 高速 公路 实 际 问他 置 选取 .高 速公 路 路
而车辆 裁 荷按 2OkPa取 值.
2.2.3 网格 岩体 卡要 采 斤j六 衙 体 网 格.出 于厅
挖通 道 F1身的 儿何 形状 的不 规 则 。
体 卡H
交 .这 里采用 适 性 较 强 的 四 体 网 格.通 道 支 f,
结构 采 川扫 略 网格.馍刑 的 网格总 数 为 l96140个.
6、『{}j7为有 限 死模 犁 格 划 分情 况.
图 6 地 层 有 限元 网格
Fig.6 {}verallfiniteelementmesh
、'-
图 7 锚 喷 支 护 截 面 网格 示 意
Fig.7 Finite elementmesh of boltsupportsection
2.2.r1 计 算过 程
通 道 的开 挖 过 主要 是应 乃 释
分 “ 过 程 .实 际 施 工 过 程 小 ,通 道 的 升 挖
施 l步骤 址 I‘分 复杂 的 ,涉 及 到注 浆 、开挖 、支 护 等
.卡}l拟 汁算 将 整 个 肝挖 域 分 为 25段.
衡 始地 心 力场 之 前 .将 锚 喷支 护 结 构 植入 实体
懊 ) .1li-利川 i-
.死 单 元 法 巾 的 ModelChange/Re
NI()VC命 令将 ”杀死 ”.在平 衡地 应 力场 之 后 .每 开
挖 一部分 上体 再将 对』、的 支 护结 构 单 元 激 活.整
个施 I通道 挖 分析 步 骤 为 :1)仪 考 虑 自重 情 况 卜
的地
始 力场 分析 .2)施 加 路 面载 倘 .3)锚 喷
支}J、结 构施 12 .门:挖 第 1段 (即 移 除 第 1段 土 体
儿 ).i)激
1段 支 护结 构 单 元.5)对 后续 段 重
复 3)干¨i).
3 计算结 果及分析
按 照 以 施 工 工 序 模 拟 计 算 ,得 到 通 道 在
挖 l IlI』JI 的 路 面沉 降 值 .锚 喷 支 护 的 力 分
以 及 个 上 俸 的 塑性 应 变 .并 以此 进 行 构 安
价.
3。1 路面 沉 降分析
将 一 施 I步 的路 面 最 大 沉 降进 行综 合 归纳 .
取 通 道 lll
一条横 穿 公路 的 线 段 (KO+ 7().()()()
至 Ko+ l50.()(1())单 独 作 为 研 究 对 象 .绘 制 四 个 不
川 挖 阶 段 (进 分 别 存 4 In.851"11.125n1.155111
时 )公 路 路 的沉 降 阳线 ,如 图 8所示 .
E
×
公路 似 /Ill
图 8 公 路 表 面 沉 降 曲线
Fig.8 Settlementcurveofroad surface
从 8lllJ-
,高 速 公 路 下 方 施 上 通 道 施 上 ,
会 敛 高 速 公 路 路 面 发 生 …定 的 变形 ,从 变 形 规
伴 束 行 .主 为 沉 降 变 形 .没 有 现 隆 起 的 现 象 :
从 数 值 J求 彳亍,随 着 施 工 过 程 的 开 展 .}冗降 值 逐
渐 增 JJJJ. 9给 fti开挖 结 束 后 路 面 竖 rnJ位 移 分 布
l殳1,此 时 路 inf的 最 大 沉 降 为 2.146mYn.靠 近 公 路
I1.江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报
第 J7卷
图 9 该 段 通 道 施 工 结 束 后 路 面 竖 向 位 移 分 布
Fig.9 、erticaldisplacementdistributionofroad
surface aftel’construction
3.2 塑 性应 变 分析 和支 护 结构 的应 力分 析
方缸I过 程 lfl的
心 变 仪 断 发 卜变 化 处
出现 .具 体 分 布如 l0所 爪 ,I】『 .施 T通 道 的 盹
上 未 导致通 道 蜘边
形 成 贯通 的 性 .通 道 拱
部至地 表/f会形 成垮 塌 .
1
‘。
0z ≯
图 1() 施 工 过 程 中塑 性 应 变 分 布
Fig.10 Plasticstrain distribution in construction process
施上 过 程 lf1锚 喷 支护 n身 的 幔 度 婴求 也足
要 的影 响 素.当施 加 史 护 后 ,在进 行 下 一 步 J十挖
时 .史护 纳构 的 ,、力 达 到 其 最 大 .汁 纳 表 f{JJ
支护 l9
2l的幢力 最大 .fI{据 C25 凝 十 轴 心 }/[
压强 瞍 为 16.7MI 只仃 支护 2l的蜮 大 心 力超过
了 许片j值.f刳 l】为支护 21的 Mises』、力分 ,
1
『冬I.[1f
罔 1l可 . 其
拱 脚 处 f{:现 邸心 力 策 }l1.这
个最 大 的应 足 … 于结 构 的 小连 续 引 起 的 . 他 那
他 的心 力都 足 允 许 范 闻 1人J。 此 建 议 拱 脚 处进
行加 脚处理 或哲 埘 没 汁 力案 做 n5微 洲 ,如将 界 没
计 为连续 界 面 ,避 免jJ5现 幢 力集 .
图 11 支 护 21的 Mises应 力 分 布
Fi2.11 Misesstressdistribution of21stsupporting
4 结 论
通 过 /\}{AQU 软 件 对 疗缸上 通 道 下 穿 高 速 公
路 的 Jf:挖 过 进 f 数 值 模 拟 .计 算 结 果 表 明通 道
"挖 f岛迷 公 路 的 大 沉 降 值 约 为 2.1 6nln].
卞}{ 地 力‘姚 ,i发沉 降 住 可 承 受 范 围 之 I』、J.锚 喷
史护 的拱 脚 J『1)部 川{现 最 大 应 J值 超 过 了 许用 值 .
…于 结 卡勾的 小连 续 导致 的 应 力 集 }】.建 议住 设
i 卜 憋 {寸1J 处 措 施.通 道 开 挖 过 程 。格 个 围
及 支 护 的 幢 乃 变 化 大 .通 道 至 地 表 木 形 成 贯
Ix=. 体 米 }J}:.通 道 开 挖 后 f:方 高 速 公 路
足 发 余 的.
参考 文献 :
l: l金 llJ】.地铁 隧进 施 』引 起的 地 农沉降 及 变H≥分
fI)1.rftI订人 坝
:f 论 文 .2009.
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, li1 .1
坡 .ABAQUS 隧 道 及 地 F
I
川ti
'19 川 M 1.北 :中吲水利水电…版 .2O10.
J 刘运.
述公路 卜穿隧道施工仿 真分析『I)l.武汉 :武
汉 川!『_人
。:.
1(j.
IK
.i’逃 铁 路 隧 道 下 穿 H光仃 高 速 公 路 路 琏 沉 降 规
研究『 】.交通科 技 .2015.273(6):62 64.
(责 任编 辑 :梁赛 平 )

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