分析数值数值模拟技术在地铁建设中运用站

论文导读：道基本上均采用盾构施工，这是在西部地区特有土质情况下首次采用盾构法进行地铁隧道建设，实现了我国在湿陷性黄土地质条件下盾构施工零的突破。由于其地表环境复杂，再加上特有的地层特征、施工条件及其它的差异，使得盾构开挖隧道引发的沉降以及对周围环境的影响问题尤为突出；而且，地下交通项目一般位于人口密集的地区，它的修建
摘要：本文依托地铁项目土建工程为研究背景，结合笔者针对该项目所做的几项科研案例，阐述了数值模拟技术（重点介绍FLAC）在地铁建设工程中的应用，旨在强调其优点所在和推广该技术的应用，以便能够更好地为地铁建设事业服务。成果表明，该技术成果能够节约施工成本，确保施工方案安全，创造巨大的经济效益和社会效益。
关键词：地铁,数值模拟,应用


1 引言
计算机技术伴随着科学的发展也日臻成熟，在工程施工中的应用也越来越广泛。例如，通过计算机编程使之与施工现场中的监测仪器实现配套应用，可以节约大量人力物力；利用计算机技术可以实现地质灾害预测预报；利用计算机软件可以对工程方案进行预演分析，以增加方案的可靠性等。
西安地铁区间隧道基本上均采用盾构施工，这是在西部地区特有土质情况下首次采用盾构法进行地铁隧道建设，实现了我国在湿陷性黄土地质条件下盾构施工零的突破。由于其地表环境复杂，再加上特有的地层特征、施工条件及其它的差异，使得盾构开挖隧道引发的沉降以及对周围环境的影响问题尤为突出；而且，地下交通项目一般位于人口密集的地区，它的修建会对地上建筑造成很大的影响。尤其是城市地铁建设一般都会穿越城市中心地带， 因建筑物密集、施工场地狭小、地质情况复杂、地下管网密布、交通繁忙、施工条件受到限制等， 而对环境的控制要求更为严格。为了使地面结构和设施保持安全和完整，保护已存在的结构物和地下管道免受破坏是很重要的，在人口密集的城区下修建隧道工程就更要求十分小心。
2案例分析

2.1 地铁隧道过古城墙

2.

1.1工程背景

南门古城墙处于市区繁华地段，南临护城河；北接西安市重要商业街即南大街；既是古城墙观光入口处，更是联系古城内外的重要通道，其附近地表状况较好，有小型绿化广场。地铁2号线下行线呈半径350m弧形绕过瓮城从城墙门洞下穿过。施工场地内地层分布为：地表分布有厚薄不均全新统人工填土（Q4ml）；其下为上更新统风积（Q3eol）新黄土（局部为饱和软黄土）及残积（Q3el）古土壤，往下为中更新统风积（Q2eol）老黄土和冲积（Q2al）粉质黏土、粉土等。地铁隧道通过其下，必将扰动土层原位状态，造成城墙基础沉降，如何采取措施，采取何种措施才能保证城墙的绝对安全，谁也无法断定，只有通过计算机技术来确定方案的可靠性。
2.

1.2数值模拟预测计算

初步拟定采取如下方案来保护城墙的安全性：进行管片支护及壁后注浆，且对三个城门洞范围内的土体进行化学注浆加固，同时分别在城墙南基础即靠近护城河一侧的隧道两侧8m处，以及在城墙南面5m处打C25混凝土静压桩，规格为φ1000@1300（图1中标注处，），隧道盾构施工。

图1 城墙与隧道关系图 图2FLAC数值分析模型

表1 计算参数表

2.

1.3结果分析

通过对计算云图及关键点位移分析可以得知： 无加固措施条件下，最大沉降量在-18mm左右，而工程要求最大沉降值不得超过-15mm，显然这不能满足施工要求；
在按照加固方案施工条件下，由于对地层进行化学注浆的同时，施加了加固桩，最大沉降量只有-2.5mm左右，远小于报警值5mm，在城墙允许变形范围之内。也就是说，地层加固措施完全能够保证盾构通过期间城墙的安全。
而最后按照拟定加固措施进行隧道下穿古城墙施工后，发现城墙基础最大沉降值为

2.79mm。

图3无加固措施沉降云图（局部放大） 图4 有加固措施沉降云图（局部放大）

2.2 深基坑围护桩变形预测

2.1工程背景

图5北大街车站平面示意图
北大街站位于北大街与莲湖路相交十字路口，一号线与二号线在此换乘，二号线沿北大街南北向布置，一号线沿莲湖路东西向敷设（图5）。北大街站二号线在下，一号线在上，东南角设置三层结构的设备用房、设备安装区，总建筑面积25589㎡。二号线主体结构总长140.9m，宽22.7m，为三层岛式站台车站，底板埋深24.1m；一号线主体结构总长137.2m，宽26.7m，为二层侧式站台车站，底板埋深约17.1m；东南角设置三层结构的设备用房、设备安装区，宽5

3.85m，长48.7m，底板埋深约17.1m。

地表一般分布有厚薄不均全新统人工填土（Q4ml）；其下为全新统冲积（Q4al）、上更新统风积（Q3eol）新黄土（局部为论文导读：
饱和软黄土）及残积（Q3el）古土壤，再下为中更新统风积（Q2eol）老黄土、冲积（Q2al）粉质黏土、粉土、细砂、中砂及粗砂等。
桩间土采用挂网喷射混凝土，桩顶设置钢筋混凝土冠梁，截面b×h=1.2m×1.0m。围护桩在计算主体结构时作为永久结构进行计算。在图5中的1-1断面上，围护结构布置为钻孔灌注桩+预应力锚索+钢支撑的联合支护，比较具有代表性（见图6）。限于篇幅和研究重点，本文选择图5中的1-1断面进行分析计算。
为了节约围护成本和缩短工期，决定将一号线东段及设备用房区和二号线车站南端合槽施工。考虑到合槽后基坑的规模太大，开挖引起的围护结构变形能否保证处于安全范围之内，需要进行研究才能确定。

2.2方案数值模拟预演

深基坑开挖的影响范围取决于基坑开挖的平面形状、开挖深度和土质条件等因素。计算边界范围的大小对数值计算结果精度有很大的影响。本文研究基坑长达147.3m，开挖最大宽度为23.3m，开挖深度为18.2m。截面影响区域选开挖尺寸的3～5倍最合理，既满足求解精度要求，也满足计算速度要求。所以，在沿向上属于平面应变问题，取1m厚度进行建模，最终模型尺寸为120m×70m×1m（宽×深×厚）的区域建立FLAC计算模型。如图6所示。

图6 基坑1-1断面数值模型
数值模拟的具体实施步骤如下：
（1）建立模型，进行开挖前平衡运算，形成开挖前土体初始应力场；
（2）将由第（1）步重力引起的位移归零，只保留初始应力；
（3）通过model null命令将第一步开挖土体挖掉，形成开挖载荷，进行平衡计算，得到第一步开挖应力场和位移场；
（4）设置第一道支撑单元；
（5）重复第（3），（4）步直至最后一步开挖完成，进行平衡计算，得到最终结果。
表2 基坑主要施工阶段

最终计算结果显示，该模型中监测桩的最大水平位移均未超过警戒值-23mm，所以基坑是安全的，围护结构满足工程安全要求。

2.3计算与监测结果对比分析

图7桩体水平位移对比曲线
总体来说，由于数值模拟计算没有考虑地下水渗流、天气、施工机械及时空效应的影响，计算结果与监测结果在数值上有些出入，但是桩身变形趋势基本相同。围护桩最大最危险的地方不在桩顶而是出现在基坑中部到三分之二基坑深度处，这点计算结果与监测结果是一致的。本次测斜桩体水平位移最大值出现在距桩顶12.0m处。这也说明在进行深基坑变形规律研究时，FLAC数值计算方法能够排除很多变化因素的影响，其计算结果可以用于基坑工程设计时的重要参考、施工前的预演，以及更合理有效的设计基坑安全监测方案，有利于做到信息化施工。
3结语
地铁隧道盾构施工通过古城墙案例数值模拟结果表明，采取的地层加固措施是有效可行的。该结论对西安地铁今后穿越城墙施工也具有一定的借鉴价值。古城墙作为国家重要文物，其价值不能简单的以具体数字说明，因此所产生的经济效益也是无法估计的；在北大街地铁车站基坑合槽施工案例中，经计合部门粗略估算所产生的经济效益为三百余万元。此外两则案例所带来的社会效益也非常显著，保证了施工的安全，也就保证了人民生命财产的安全，避免了对社会环境造成不可挽回的损害。
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