矿山法隧道下穿铁路沉降影响分区研究(8)

西南交通大学硕士研究生学位论文

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＿ｉ—Ｉ；；ＩＩ—ＩＩ—ｉ．ＩＩ曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼皇曼曼曼曼舅第２４页

第３章矿山法隧道下穿铁路沉降预测数值分析

３．１矿山法隧道下穿铁路工程概况

３．１．１线路概况

长春轻轨三期工程四号线长春火车北广场站～北亚泰大街站～伪皇宫站的２个区间为地下区间，除长～北区间小里程端渡线段采用明挖法外，其余均采用矿山法施工。起讫里程分别为Ｋ０＋３００．２０＂－－ＫＩ＋３５６．４０和Ｋｌ＋５２１．５０～Ｋ２＋７１５．８０，长度分别为１０５６．２０ｍ和１１９４．３０ｍ，总长２２５０．５０ｍ，另还有三号线预留暗挖段长４６８．３７６ｍ（ＫＯ＋０２３．００＂－－－Ｋ１＋４９１．３７６），共设８个竖井及横通道。

地下区间自火车站北广场向东沿铁北二路地下敷设，过亚泰大街后，接亚泰大街站，线路继续沿铁北二路前行约３００ｍ，折东南下穿长春站２２线货场、哈大铁路和长图铁路，经穿东八条路和长利路后进入伪皇宫站站。区间经过的铁北二路南侧主要是长春站２２线货场，北侧为低矮民房建筑和运输公司，其两侧主要为民房、站场仓库，以及一日用批发市场。其间所下穿铁路轨道均为有碴轨道。区间隧道穿越铁路平面示意图如图３—１所示。

图３－１区间隧道穿越铁路线平面示意图

３．１．２地质概况

３．１．２．１工程地质条件

依据《岩土工程勘察规范》（ＧＢ５００２１－－２００１）和《建筑地基基础设计规范》（ＧＢ５０００７－－２００２）及《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》（ＧＢ５０３０７．１９９９）有关规定，划分出场地各地基土层，主要地层特征自上而下分述如下：（１）人工堆积填土层：

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杂填土①层：杂色，稍湿，主要由粘性土和建筑垃圾组成，结构松散，密度不均，部分地段为人工路面结构层。厚度０．８０，－一６．ＯＯｍ。

（２）第四系冲洪积层：

粉质黏土②ｌ层：褐黄色，可塑，稍湿，包含有铁锰结核，无摇振反应，稍有光滑、干强度中等，韧性中等，中等压缩性，层厚０．００＂－－＇４．２０ｍ；

应，稍有光滑、干强度中等，韧性中等，中等压缩性，层厚Ｏ．５０．３．００ｍ；

粉质黏土②３层：褐黄色，可塑，湿，可见少量铁锰结核，无摇振反应，稍有光滑、干强度中等，韧性中等，中等压缩性，层厚１．００＂－＇６．２０ｍ；

粉质黏土②４层：褐黄色，硬塑，稍湿，可见少量铁锰结核，无摇振反应，稍有光滑、干强度中等，韧性中等，中等压缩性，层厚１．５０＂－＇８．ＯＯｍ：

粘土②５层：褐黄色，褐灰色，硬塑～坚硬，稍湿，可见少量铁锰结核，无摇振反应，有光滑、干强度高，韧性高，中～低压缩性，层厚２．４０＂－－９．１０ｍ；

粗砂②６层：褐黄色，褐灰色，饱和状态，颗粒主要由石英、长石组成，呈次棱角状，自上而下颗粒逐渐变粗，强度增加，中密～密实状态，含有少量泥质，底部见有薄层砾石，层厚１．００＂＇４．３０ｍ。

（３）白垩系泥岩：．粉质黏土②２层：褐黄色，可塑偏软～软塑，湿，可见少量铁锰结核，无摇振反

全风化泥岩③ｌ层：紫红色，原岩结构基本破坏，有残余结构强度，粘土状，硬塑～坚硬状，遇水易软化，较易钻进，岩芯破碎，揭露厚度０．６，－，５．５ｍ。

强风化泥岩⑨２层：紫红色，原岩结构大部分破坏，风化裂隙发育，块状，遇水易软化，岩块可用手折断或捏碎，较难钻进，岩芯较完整，揭露厚度０．８＂－＇３．６ｍ。

长春地区标准冻结深度为１．７０ｍ；场地地基土冻胀性分类：粉质黏土②Ｉ层：Ｗ＝２５．１，ＷＰ＝２０．４，根据《建筑地基基础设计规范》（ＧＢ５０００７．２００２）附录Ｇ的规定，地基土为强冻胀土，冻胀等级为Ⅳ级。

３．１．２．２水文地质条件

拟建区间场地地下水赋存于第四系粘性土和砂土层中，含水层的厚度在１３．０～１８．Ｏｍ。其中粉质粘土②ｌ层至粉质粘土②３层透水性中等，粉质粘土②４层至粉质粘土②５层透水性差，基本为不透水层，粗砂②６层透水性良好，并具有一定的微承压性。其下部的泥岩为不透水层。

拟建区间场地地下水类型属第四系孔隙潜水，由于含水岩组透水性及富水性的差异，在一定条件下砂土层中的孔隙水可表现出一定的微承压性。

拟建区间场地地下水补给主要有大气降水入渗、给排水管线渗漏以及区外径流补给，其流向与地形总体坡度一致，主要流向东；潜水排泄方式主要为径流排泄、人工开采及蒸发消耗等。

３．１．２．３地下水位

实测地下稳定水位埋深１．９０＂＇８．２０ｍ，稳定水位高程介于２１３．６６＇－＇－＇２０５．７９ｍ。地下水随季节性变化，年变化幅度１．５，－－，２．０ｍ。

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３．２矿山法隧道下穿铁路近接施工数值模拟分析

３．２．１隧道施工的数值模拟分析

本节利用三维有限差分元矿山法隧道施工进行了模拟，采用的软件为有限差分软件Ｆｌａｃ３Ｄ。

３．２．１．１数值模拟分析说明

（１）计算方法说明一

采用对时间导数的显式有限差分方法进行迭代计算，并假定每个节点的速度在△ｒ时间内按照线性变化，即

帆Ｈａｔ／２）＝Ｖ～一址／２）＋茄耽州ｎ，Ｖ‰∥ｎ七）（３－１）节点位移为：

甜；７’０＋△，）＝甜；７’（，）＋△加；７’ｐ＋Ａｔ／２）

式中：Ｆ‘７’为节点不平衡力向量，肘（。’为节点品质向量，ｚ，；７）（ｏ）＝ｏ

（２）塑性理论（３—２）

岩土材料的弹塑性应力应变关系包括四个组成部分：ａ．屈服条件和破坏条件，确定材料是否屈服和破坏；ｂ．硬化规律，

指明屈服条件由于塑性应变而发生的变

化；Ｃ．流动法则，确定塑性应变的方向；

ｄ．加载卸载准则，表明材料的工作状态。

图３－２是土样在轴向往复载荷作用

下得到的应力一应变关系曲线。在加载初Ｏ，

期，Ｏｄ一￡ｄ曲线的ｏｙ段基本上为一直线，

即只产生弹性应变￡。。Ｙ点为屈服点，吼

为屈服强度。如卸载后再加载，则屈服点

上移到Ｇ点。如此往复，直至Ｆ点破坏。Ｏ劾二。Ｐ—ｅ。／●—￡图３—２轴向往复载荷作用下的。一￡

可见，屈服强度随着塑性应变的增大而提高，这就是应变硬化。

屈服条件即为材料开始屈服时，应力应满足的条件。对于理想弹塑性材料，材料开始屈服也就是开始破坏，因此，其屈服条件即是破坏条件，初始屈服面与破坏面重合。对于应变硬化材料，在初始屈服之后，屈服面不断扩大（缩小）或发生平移，破坏面可认为是代表极限状态的一个屈服面。对于岩土材料，常用的屈服条件有Ｄｒｕｃｋｅ．Ｐｒａｇｅｒ准则和Ｍｏｒｈ．Ｃｏｕｌｏｍｂ准则。

１）Ｄｒｕｃｋｅ－Ｐｒａｇｅｒ屈服准则Ｄ．Ｐ模型是在考虑了静水压力影响的广义Ｍｉｓｅｓ屈服准则基础上建立起来的，

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表达式为：

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ａＪｌ＋√，：＝ｋ

对于平面应变状态：

（３—３）

√３√３＋ｓｉｎ２ｒ４３＋ｓｉｎ２Ｋ

Ｄ．Ｐ模型的优点是采用了简单的方法考虑静水压力对屈服和强度的影响，计算简单，同时也可考虑岩土类的剪胀。

２）Ｍｏｒｈ．Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服准则

土的剪切破坏准则是库仑提出的，其表达式为

口：—毒坠ｋ：｛坠