关键词:
暗挖隧道
下穿施工
数值模拟
变形控制
参数优化
摘要:
随着城市轨道交通网络化发展,隧道近接施工对既有结构的扰动效应成为地下工程安全控制的关键问题。本文以合肥地铁8号线一里井站至灵璧路站区间隧道斜下穿3号线既有车站工程为背景,通过数值模拟与现场监测相结合的方法,系统研究暗挖隧道施工对“地表-既有车站-隧道”三者位移和应力的影响机制,并优化施工控制参数,为类似工程提供理论依据与实践参考,研究内容如下:
(1)从合肥市轨道交通建设规划出发,阐述了隧道下穿工程中地层扰动诱发既有结构变形的危害性,提出应力-应变预测模型与控制技术的必要性。通过梳理国内外研究现状,指出当前理论在复杂地质条件适用性及施工时序耦合效应方面的不足,明确了本文以数值模拟为核心,同时结合现场监测的研究路线。
(2)基于Peck公式与双参数弹性地基梁理论,建立了隧道下穿施工引发地层沉降及既有结构变形的解析模型,推导了不同边界条件下弹性地基梁的挠曲微分方程。通过对比盾构法与浅埋暗挖法的技术特征,结合工程地质条件(中风化砂岩、V级围岩)与既有车站敏感度(最小净距0.882m),论证了上下台阶法分步开挖、及时支护的技术合理性,并提出临时仰拱、注浆加固以及锚杆加固协同控制变形的施工方案。
(3)通过MIDAS GTS建立三维数值模型,对比分析了无加固、仰拱内支撑、注浆加固、锚杆加固及综合加固五种工况的影响。结果表明:综合加固(仰拱+注浆+锚杆)对地表、车站及隧道初支沉降控制效果最优,最大沉降值分别为13.34mm、2.15mm和6.93mm,较无加固工况降幅达36.98%、66.19%和57.25%。单一措施中,仰拱内支撑加固对三者沉降的控制效果最佳,分别降低了三者27.59%、50.31%和33.99%的沉降量,隧道上部注浆加固的效果次之,分别降低了9.48%、14.62%和24.55%的沉降量,在控制隧道拱顶沉降方面,注浆加固和仰拱内支撑加固均表现出较大的作用,锚杆加固对三者位移的控制作用均相对较弱。注浆加固通过改善围岩刚度降低隧道初支拉应力36.35%。研究同时发现,既有车站对地表和隧道沉降具有“隔离效应”,但其底板转角与立柱根部因应力集中产生超限拉应力(5.75~5.92MPa),需辅以管棚加固等针对性措施。
(4)进一步探究台阶间距、注浆厚度及初支弹性模量的影响规律。结果表明:台阶间距由4m增至10m时,车站沉降增幅达71.61%,建议控制在6m以内;注浆厚度从1m增至2m可降低车站沉降20.92%,推荐采用1.5~2m;初支弹性模量由22GPa提升至34GPa可使车站沉降减少25.90%,但初支拉应力随之增大34.58%,需平衡刚度与材料性能。参数敏感性排序为:车站沉降对台阶间距变化最敏感,隧道沉降受注浆厚度影响显著,而初支弹模调整对三者变形均呈现非线性调控特征。
(5)通过现场监测验证了数值模拟的可靠性。地表最大沉降实测值为9.47mm(模拟值10.99mm),车站最大沉降实测值为1.81mm(模拟值2.13mm,位于右线上方上行线道床处),拱顶最大沉降实测值为6.58mm(模拟值5.63mm),拱底最大隆起实测值为7.73mm(模拟值6.80mm),差异率小于15%。监测数据表明,既有车站区域地表沉降值显著降低,同时使隧道拱顶沉降降低23.7%,揭示了结构刚度对变形分布的关键影响。