大断面地铁车站CRD暗挖法施工有限元模拟分析

摘 要：目前城市地铁发展很快，大面积暗挖车站越来越多，面积越来越大。大多采用CRD法施工，利用ANSYS有限元软件可以在开挖前对其进行数值模拟，分析施工最不利工序，提出相关措施，可以减小风险，降低成本。

关键词：暗挖车站；CRD；ANSYS；数值模拟

中图分类号：U231+.3 文献标志码： 文章编号：

1、前言

伴随着我国城市地铁的发展，地下车站也越来越多，相应的暗挖车站也逐渐增多。暗挖车站的特点是地质情况复杂、断面大。众所周知，影响隧道开挖技术和安全稳定性的主要因素就是断面大小[1]，所以施工前期必须论证相应的开挖方法是否合理，而采用的手段是有限元软件模拟分析。

重庆市地铁车站多采用浅埋暗挖法施工，其施工工法对地层变形和受力规律影响较大，很大程度上决定着工程施工的安全性和经济性。本文依托重庆市轨道六号线二期工程五路口车站，拟对隧道施工过程中的若干关键技术进行研究，通过大量的数值仿真计算，提出重庆市轨道交通六号线工程五路口车站隧道设计参数，为其它复杂环境和地质条件下的地铁暗挖车站提供技术支撑。

2、模型建立

五路口车站断面面积184.72m2，开挖方法采用双侧壁三台阶法。本文选择围岩最差及埋深最浅的断面（四级围岩、埋深18米）分析，借助ANSYS有限元软件分析，计算中需要考虑土体塑性变形的影响，所以围岩采用Drucke-Prager准则模型。

Drucke-Prager准则是以Mohr-Coulomb六棱锥的内切圆锥面的形势导出的，Drucke-Prager准则中岩石的粘结力和摩擦角是由其抗压强度关和抗拉强度决定。

并可以根据下式计算得出：

；。

式中为抗压强度,为抗拉强度。

围岩具体参数见表1。

作者简介：苏家园(1986),男，重庆交通大学研究生，岩土与隧道工程方向。

靳学峰(1987 ),男，重庆交通大学研究生，岩土与隧道工程方向。

表1 开挖数值模拟参数

有限元模拟计算以初始地应力场（包括重力和上部荷载）、隧道开挖等过程进行，根据《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）在模拟开挖过程中，隧道开挖和初期支护在相应边界节点应力释放60%，施作二衬和仰拱完成后在相应边界节点应力释放40%。数值模拟分23步进行，具体见表2：

表2 CRD法开挖步骤

为减小边界效应保证计算的准确性，模型尺寸为：隧道中线左右分别取60m，竖直向上取至地表，地表至下边界76m；隧道埋深较浅，计算时按自重应力场考虑。

整个计算模型有限元网格共有11605个平面单元，节点总数为5474个，有限元网格划分如下图所示。

图1 隧道开挖有限元模型

计算区域侧向边界处水平位移被约束以模拟场地的半无限远边界，底面沿竖直方向位移被约束，按照平面应变问题计算。

3、计算结果分析

车站CRD法暗挖过程，地表沉降和初支应力最能反映当前支护情况。经计算，整个施工过程中，各项参数变化情况见下图：

图2 各施工步骤地表最大沉降量（mm）

图3 各施工步骤初支应力变化情况（MPa）

图4 各施工步骤锚杆轴力变化情况（N）

图5 各施工步骤临时支撑变化情况（MPa）

通过有限元计算结果分析得出：大断面隧道CRD法施工过程，最关键的步骤就是中部上台阶开挖，位移及各项应力均变化较大，但总的位移和各支护内力都很小。

分析原因，此步骤直接贯通左右导洞，导致开挖面积立即变大，对围岩扰动变大，从而影响到地表沉降和初支内力。

4、结束语

大断面暗挖隧道多采用CRD法施工，阶上部开挖时地表沉降和支护内力变化较明显，所以此工序为CRD法施工的关键步骤，施工过程应在此加强光面爆破质量控制，减小对围岩的扰动和破坏；加强工字钢、立柱、横撑等的连接质量控制与管理；加强监控量测工作，根据监测数据及时修改支护和支撑参数，及时反馈信息，指导施工。

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