基于FLAC3D拱盖法施工中拱脚围岩强度对沉降影响研究

刘创

（中南林业科技大学土木工程学院，湖南 长沙 410000）

1 绪论

以青岛某地铁站中的拱盖法施工为背景。在拱盖法施工中，拱盖是结构稳定性的关键所在，起着支撑上部覆土和保护下部结构等重要作用[1-2]。拱盖所承受的力需转移至拱脚处围岩上，过于软弱的围岩无法承受拱盖上的力，故拱盖一般常建立于较稳固的围岩上，以保证拱盖稳定性。因此，拱脚处围岩的强度对拱盖稳定性有很大影响。

2 模型建立

模型围岩采用摩尔-库伦模型，其参数如表1所示。工程材料采用弹性模型，其参数如表2所示。

表1 围岩物理力学参数

表2 支护物理力学参数

车站埋深为10 m，主体结构总高16.61 m，取底部围岩为6 m厚度。根据岩石力学的观点，在地下洞室开挖时会引起应力进行重分布，而其影响范围为3～6倍的洞径，处在该范围以外的岩体不受开挖影响[3-4]。车站总宽为22.6 m，故取一侧围岩宽为23 m。每阶段将施工分为3段来模拟整个开挖过程，模型总长为6 m。车站模型及材料分组如图1所示。

图1 FLAC3D车站模型图

3 模型计算及数据分析

3.1 模型施工过程计算

拱盖法的主要施工工序是：施做超前支护→台阶法开挖上断面左右侧导洞岩体→架立临时钢拱架→台阶法开挖上断面中部岩体→架立临时钢拱架，施做两侧洞内拱脚纵梁→按一定顺序开挖下断面岩体，施做初期支护→顺作法施做主体结构。首先固定边界，将各个外侧面相应位移限制住，再给地层赋参，运算得地层初始位移，将这一部分位移归零，排除自然沉降引起的误差。正式施工，先将相应区域的地层参数提高，借此来模拟超前支护，然后台阶法开挖左右导洞，开挖2 m，再运行150步模拟开挖沉降过程，施做初衬及钢拱架，如此开挖3次，得左右导洞开挖完成沉降结果。采用相似的方法来模拟中导洞开挖，得其沉降结果。将钢支撑处改为空模型，同时将纵梁处改为弹性模型，模拟拆除钢支撑，得施做纵梁完成时沉降结果。台阶法开挖下部区域，施做初衬、二衬，运算得车站施工结束时沉降结果。

3.2 数据分析

不同围岩上各施工完成阶段的沉降曲线对比如图2所示。可以看出在左右导洞和中导洞时开挖时的沉降基本一致，同时在中导洞阶段，沉降差值均在1 mm以内，但开始对地表沉降产生影响。在纵梁施做阶段，初衬的拱盖作用已经在Ⅱ级围岩上表现出来，沉降变化不大。各级围岩之间沉降最大值的差值变大。车站开挖完成时，沉降与前一施工阶段差别不大。所以，可以认为当纵梁施做完成时，拱盖结构成型，能够发挥支撑作用，此时在拱盖以下的施工作业对沉降影响不大，沉降已受到控制。

图2 不同围岩上各施工阶段完成时沉降曲线对比图

4 结论

在左右导洞开挖中，不同强度的围岩基本不影响地表沉降；中导洞开挖是沉降变化最大的一步工序，于这步工序要做好沉降控制，其中施做在Ⅱ级围岩上的初衬在这一步工序便可发挥拱盖作用，控制沉降；Ⅲ、Ⅳ级围岩在拱盖结构完全成型，才能控制沉降。

当拱脚处两侧围岩分级发生变化时，随围岩强度的降低，沉降变大，距车站结构相同距离上的沉降，低强度围岩的沉降值更大。在强度相近的围岩之间，沉降最大值的差值会随围岩强度的降低而逐渐变大。