專業知識分享版使命：加速中國職業化進程摘要以西安地鐵二號線某區間隧道工程為依托,根據實際的地質情況,運用FLAC3D數值仿真模擬軟件以隧道掘進面洞頂沉降為衡量標準,對隧道變形受土體各參數影響的靈敏度進行模擬分析,找出主要影響參數,使施工中對隧道周圍土體的變形控制更有針對性。研究表明,土體的彈性模量為主要影響參數,其次為內摩擦角和黏聚力,各參數的變化對隧道周圍土體變形的影響是由強至弱的。各參數變化對隧道變形影響趨勢基本一致,且土體參數越好,參數變化對隧道變形的影響越不敏感,所以改善提高圍巖參數可以有效地增加隧道的穩定性。關鍵詞盾構FLAC3D靈敏度分析施工優化0引言目前,我國各大城市的地鐵交通發展越來越快,盾構法施工因其具有安全、快速、高度機械化等優點得到越來越廣泛的應用,北京、天津、廣州等地區均成功完成盾構地鐵隧道。我國的南水北調工程中也成功運用盾構法修建了穿越黃河河底的引水隧道。河海大學的胡如軍等人對盾構隧道管片設計參數的靈敏度進行了分析,并對設計進行了指導[1]。而在施工方面,合理分析盾構施工中周圍土體的情況,通過研究其各主要參數的靈敏度,從而有針對性地對隧道進行支護,對提高隧道施工的效率和安全均具有十分重要的意義。西安地鐵二號線是西安地鐵系統中的第一條線路,也是西安交通規劃中重要的一環,其施工過程中的安全和質量受到了廣泛的重視。西安是世界聞名的古都,地下文物豐富且線路中涉及多處文物古跡,地下黃土地質較為復雜,所以對盾構開挖中周圍土體的靈敏度分析研究非常迫切?？紤]到仿真數值模擬分析成本較低,且可以較好地模擬實際工程情況[2-4]。故本文以FLAC3D仿真模擬軟件進行計算機模擬研究,分析了土體各主要參數靈敏度,對施工中改善土體提出有針對性的措施具有重要意義。1工程概況西安市地鐵二號線(鐵路北客站-韋曲段)工程屬于陜西省西安市城市軌道交通系統,為西安市重點工程建設項目,線路北起西安鐵路北客站(草灘),南至長安區,正線全長26.456km。其中某區間擬采用盾構法施工。此區間地勢較平坦,不存在斷層構造,地貌上屬黃土梁洼區的黃土梁。本區間場地內地層為:地表一般分布有厚薄不均全新統人工填土(Q4ml),其下為上更新統風積(Qeol3)新黃土(局部為飽和軟黃土)及殘積(Q3el)古土壤,再下為中更新統風積(Ql2eo)老黃土和沖積(Q2al)粉質黏土、粉土、細砂、中砂及粗砂等。主要地層特征和參數見下文2.2。2FLAC3D仿真數值模擬2.1模型建立根據既有的研究,模型網格范圍取隧道直徑D的3~5倍[5]。根據工程情況和所研究的問題,模型網格選取半邊結構,僅研究單隧道周圍的土體變形。模型中X方向為寬度方向,Y方向為隧道開挖前進方向,Z方向為豎直深度方向。模型的邊界條件為:左邊的對稱面和右邊界均施加X方向水平約束;隧道軸線方向,前后邊界都施加Y方向的位移約束;模型下邊界施加Z方向的豎向約束。本文中D=10m,埋深C取20m,模型X方向取50m,Y方向取100m,Z方向從隧道上方取至地面,隧道下方取35m,共65m。按照平面應變問題進行模擬計算。模擬中,用三維的六面體單元來模擬土體,用shell單元來模擬襯砌管片,土體本構模型采用摩爾—庫倫模型。根據研究重點,隧道周邊網格較密,隨著與隧道中心距離增大,網格尺寸加大。在內部分層施加土體的自重荷載來實現初始地應力場的模擬。使用空單元來實現隧道的開挖。具體模型如圖1所示。本文研究重點為隧道周圍土體各主要參數靈敏度對隧道土體變形和沉降的影響規律,故模擬中采取了一些措施來排除施工中其他因素的影響:隧道一次性掘進40m,排除施工中多步開挖引起的隧道周圍土體累計變形;隧道開挖后立即施加管片支護控制周圍土體發生變形;不考慮盾構機盾尾空隙的存在,排除隧道在盾構機通過后的后續下沉;為了使效果更加明顯,模擬時掘進面施加一半的支護力;以隧道掘進面洞頂沉降為隧道變形的衡量標準,考察土體各參數變化的影響。2.2計算參數的選取根據西安地鐵二號線某區間巖土工程勘察報告中的土體物理力學參數,對土體進行了適當簡化,對性質類似的土層進行合并處理,分為5層土體,并取出其相應的各層土體的計算參數和支護管片的參數,如表1和表2所示。3模擬結果分析3.1黏聚力的影響為了研究黏聚力的變化對土體的影響,計算時保持其他條件不變,黏聚力大小分別取為2,4,6,8,10kPa,得出對應的掘進面洞頂沉降隨黏聚力變化的曲線,如圖2所示。由圖2可以看出,隨著黏聚力的增大,曲線斜率逐漸減小,由此可知,當土體黏聚力較小時,黏聚力的變化對掘進面洞頂沉降有一定影響,而當黏聚力較大時,黏聚力的變化對掘進面洞頂沉降影響不大;再者,從整體來看,黏聚力的變化對掘進面洞頂沉降的影響有限,當黏聚力由2增加至10時,洞頂沉降僅有7.7mm的差別。3.2內摩擦角的影響在研究內摩擦角對土體的影響時,其他條件按照土體本來的物理力學參數計算,得出內摩擦角分別為15°,20°,25°,30°,35°時的掘進面洞頂沉降隨內摩擦角變化的曲線,如圖3所示。由圖3可以看出,隨著內摩擦角的增大,曲線斜率逐漸減小,由此可知,當土體內摩擦角較小時,內摩擦角的變化對掘進面洞頂沉降影響較大,而當黏聚力較大時,黏聚力的變化對掘進面洞頂沉降影響不大;再者,從不同內摩擦角對應的洞頂沉降來看,內摩擦角變化對掘進面洞頂沉降的影響比黏聚力變化對其的影響大,當內摩擦角由15°增加至35°時,最小值24.45mm,最大值48.22mm,掘進面洞頂沉降增加了23.77mm。3.3彈性模量的影響在研究彈性模量對土體的影響時,保持土體其他參數不變,得出彈性模量分別取2,4,6,8,10MPa時的掘進面洞頂沉降隨土體彈性模量變化的曲線,如圖4所示。由圖4可以看出,隨著彈性模量的增大,曲線斜率同樣逐漸減小,由此可知,當土體彈性模量較小時,彈性模量的變化對掘進面洞頂沉降影響較大,而當彈性模量較大時,彈性模量的變化對掘進面洞頂沉降影響不大;再者,從不同的彈性模量對應的掘進面洞頂沉降來看,彈性模量變化對掘進面洞頂沉降的影響比黏聚力和內摩擦角變化對其的影響更大,當彈性模量由2MPa增加至4MPa時,最小值54.59mm,最大值198mm,掘進面洞頂沉降增加了143.41mm。4結論(1)3條曲線的走勢大致相同,說明了隧道周圍土體參數值的大小對隧道的影響是一致的,且土體參數越好,隧道掘進面洞頂沉降受土體參數變化的擾動也越小,靈敏度越低。(2)3條曲線的數值相差較大,