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大连地铁隧道的监控量测和数值模拟
发布日期:2017-11-27 19:38
大连地铁隧道的监控量测和数值模拟
 
要:针对大连地铁一期工程 208 标段交师区间隧道地表沉降位移、洞周收敛位移、拱顶沉降等进行了处理和分析,对隧道台阶法施工采用弹塑性分析方法进行数值模拟,并对围岩变形预测值与实际量测值进行了比较,分析误差产生的原因,对保证已有设施的安全和施工过程的安全具有重要的意义。
关键词:地铁隧道,监控量测,数值模拟
 
      新奥法广泛应用于世界各国的隧道设计施工中,核心之一是根据施工过程中监控量测获得的信息,进行信息化设计。利用隧道围岩周边收敛变形和拱顶沉降位移的观测值可对围岩稳定性及支护的合理性进行判断,同时将数值模拟预测结果与监测变形量进行对比分析,二者相互印证,李之达、刘涛、岳顺等人对隧道开挖进行数值模拟和监控量测,并进行了对比分析1-3,取得较好的效果。隧道围岩的高度非线性,非线性的路径相关性,自然性和力学性比较复杂,很难仅靠理论计算来确定安全界限。需要现场的监测,以便对目前所处的稳定状态作出评价和其发展趋势作出预测,为岩土可变更设计和信息化施工提供可靠的依据4
 
1 工程地质概况
      大连地铁二号线一期工程 208 标段交通大学站—师范大学站区间,该场区位于复州—大连凹陷南部,四级构造单元在底层区划上属于旅大小区,除油太古界基底出露外,盖层以上为上元古界及古生界地层为主,中、新生界不发育。
      本区间范围内上覆第四系人工堆积层( ) 、第四系全新统冲洪积层( ) 、上更新统冲洪积层(  ) 、下伏震旦系长岭子组钙质板岩( βμ) 、碎裂岩。各地层分述如下: ①第四系人工堆积层: 人工堆积素填土。②第四系全新统冲洪积层: 卵石,呈灰褐色。③第四系上更新统冲洪积层: 卵石,呈黄褐色。④震旦系长岭子组钙质板岩: 主要成分为云母、石英、方解石等。隐晶质结构,层状构造。按风化程度可分为全风化岩、强风化岩、中风化岩。⑤中生代燕山期辉绿岩: 主要成分为辉石、角闪石等。显晶质,块状结构。按风化程度可分为强风化岩、中风化岩、微风化岩。
 
2 监控量测设计
      1) 监测项目。监测项目主要是隧道周边环境、支护结构体系及周围土体。周边环境主要为工程周围地表、城市道路、建筑物、地下管线等; 支护结构为明( 盖) 挖法及竖井施工支护结构,桩墙) 顶水平位移和垂直位移、水平支撑轴力、浅埋暗挖法初期支护结构、临时支护结构等; 周围地质土体监测主要是隧道周围的岩体沉降、孔隙水压力和围岩压力等。本工程主要进行地表沉降、拱顶沉降、建筑物沉降、管线沉降和洞周收敛 5 项监测,必要的时候进行水位及竖井支护结构等的监测。
      2) 监测点的布置。依据本项目的监测项目,地表沉降测点沿隧道纵向开挖洞室中线每 10 m ~20 m 且垂直中线布置沉降观测断面,每个断面布置 21 个测点,测点间距根据洞室间距而定,横向间距范围为 2 m ~5 m。洞内净空收敛和拱顶下沉测点应与其在同一断面。拱顶测点布设原则: 重要量测地段间距为 5 m 布设一组测点,一般地段点间距为 10 m 布设一组测点。特殊情况测点可适当加密。
      3) 监测频率及预警控制。量测频率可根据位移速度和量测断面距开挖面距离来确定。
 
3 监控量测数据分析
3. 1 地表沉降监测
      根据实际工程情况进行了特殊地段的地表沉降监测,取一个断面的沉降曲线图如图 1 所示。

      根据监测结果可知最大沉降位移10.47 mm,低于控制值30 mm,沉降速率最大为 1. 02 mm/d,不超过控制值 3 mm/d,根据现场巡视和监测数据可以判断围岩变形达到稳定状态。
3. 2 洞周收敛监测
      依据现场收敛监测,对量测数据进行了曲线的拟合和回归分析,根据变行速度判断隧道围岩的稳定程度为二次衬砌提供合理的支护时机,指导现场设计和施工。收敛时程曲线及回归曲线如图2 所示。收敛位移最大为 1. 588 mm,最大变形速率为 0. 972 mm /d,洞周位移变化量很小,不影响施工。
3. 3拱顶沉降监测
      拱顶的监测曲线及回归曲线如图 3 所示。

      从变形数据统计分析可知,拱顶累积沉降为5. 21 mm,小于警戒值 21 mm,沉降速率最大为 2. 4 mm/d,小于警戒值 3 mm/d,围岩较为稳定。
 
4 数值模拟
4. 1 模型的建立
      选择隧道 DK18 +657. 163 m 断面建立有限元模型,计算区域为横向 100 m,竖向 60 m,隧道之间净距根据工程实际选取为9. 6 m,埋深选取 15 m。即左右两侧计算边界为 4 倍左右双线隧道总跨度,下部边界为3 倍左右隧道的总高度。输入的参数见表1。

4. 2 结果分析
      可以看出,拱顶沉降最大位移发生在拱顶,主要原因是模型顶部有较厚的黄土覆盖,受开挖影响较大逐渐下沉,随着开挖的进行,围岩的变形如图 4,图 5 所示。

      模型计算所得测点预测值相对实测值偏小,数值计算模型中衬砌的施加是与开挖同步的,而工程实际中,衬砌的施加和开挖通常是存在一定的时间间隔的,导致围岩受扰动后,在没有约束的情况下发生结构的改变,围岩的力学性能下降,因此会在一定程度上加剧隧道围岩的实际变形,使得实测值大于模型计算所得的预测值。
 
5 结语
      由于隧道工程的特殊性、复杂性和隧道围岩的不确定性,对围岩及支护结构进行监控量测是保证隧道工程质量、安全必不可少的手段。
      监控量测可进行信息反馈及预测预报,优化设计,指导现场施工,确保隧道施工安全与质量,提高工程的社会、经济和环境效益。同时将数值模拟的结果与实际测量的结果进行对比分析,提高复杂地区的修建水平,提供科学依据和技术保证。
 
参考文献:
[1] 李之达,黄 强. 隧道施工数值模拟与监控[J]. 交通科学与工程,2010( 34) :3.
[2] 刘 涛,沈明荣,袁 勇. 偏压连拱隧道围岩稳定性模型试验与数值分析[J]. 同济大学学报,2008( 36) :4.
[3] 岳 顺,代高飞,皮文丽. 浅埋大跨连拱隧道的变形监控及数值模拟[J]. 重庆大学学报,2008,31( 5) :32-33.
[4] 杨志发,齐俊修,刘大安,等. 岩土工程检测及监测系统问题[M]. 北京: 海洋出版社,2004.

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