南京地鐵小凈距隧道施工力學及工序優化研究

李永瓏

(中鐵十七局集團 第六工程有限公司，福建 福州 350014)

南京地鐵小凈距隧道施工力學及工序優化研究

李永瓏

(中鐵十七局集團 第六工程有限公司，福建 福州 350014)

以在建“南京地鐵”非對稱小凈距隧道為背景，深入研究施工全過程力學行為及工序優化，總結變形特性、力學響應及塑性區分布規律。得出主要結論：①先行洞(斷面小)變形主要受自身施工控制，后行洞(斷面大)關鍵控制步為右Ⅲ區開挖和臨時支撐的拆除，CRD法能有效減少洞身變形，控制塑性區增長。②隨著后行洞施工，先行洞支護內力不斷演化，軸力和彎矩峰值逐漸向中巖墻側移動，成為支護穩定關鍵控制部位。由于先行洞開挖，相當于中巖墻圍巖部分約束解除，后行洞豎向臨時支撐承受較大軸力。臨時支護拆除，其軸力向環向支護轉移，后行洞中巖墻側支護軸力明顯小于外側支護軸力。③右洞(斷面大)先行時，支護結構受力與左洞先行正好相反，并且安全系數最小值更小，支護最大壓應力會增大。綜合考慮軸力、彎矩、安全系數、壓應力及塑性區，宜先施工左洞(斷面小)，利用施工偏壓消除或減弱非對稱小凈距結構偏壓作用。④隧道宜采用非對稱設計，加強左洞中巖墻側支護參數，而后行洞背離中巖墻側支護需加強參數，與先行洞規律相反。

小凈距隧道 力學行為 施工工序 中巖墻 結構偏壓

隨著我國城市地鐵的飛速發展，小凈距隧道由于其占用空間小、彼此互通的特點得到了大量應用［1-2］。在地形和地質條件基本對稱時，非對稱小凈距隧道由于斷面不一致會引起結構偏壓現象，同時受到施工偏壓［3-5］。隧道斷面越大，隧道施工后結構所受偏壓越大，后行洞施工會對圍巖再次擾動，使中巖墻穩定性進一步惡化，并引起先行洞支護內力增大。

目前大多數研究主要集中于小凈距隧道爆破振動控制、量測和開挖等方面，而對非對稱小凈距隧道動態施工力學行為及工序研究相對較少［6-8］。非對稱結構形式容易形成偏壓效應，合理的施工工序會使偏壓情況減弱，如果施工工序選擇不恰當，會進一步加劇偏壓情形，使結構安全性更差［9-10］。因此，對非對稱小凈距隧道非對稱結構形式進行動態施工力學行為及合理工序研究具有重要理論意義和實踐指導價值。

1 工程概況

南京地鐵二號線一期工程苜蓿園站—小衛街站區間小凈距段，主要為砂巖、泥巖。開挖過程中，頂部和側壁的松弛變形明顯，具有明顯時空效應，中巖墻成為結構薄弱環節，小凈距隧道整體穩定性與工法工況密切相關，如果控制不當，巖柱體將不可避免地形成貫通的塑性區，導致塑性流動失穩。另外，小凈距段處于市區繁華地段，而且覆土地層淺、城市環境要求高，如果發生事故，將導致嚴重的經濟和社會不良影響。因此，合理的隧道支護參數和施工工序顯得尤為重要。

2 數值模擬

2.1 計算模型的建立

考慮邊界效應，模型范圍取得足夠大，橫向210 m，隧道中心到底部邊界選取50 m，上邊界為地表自由邊界，左右邊界水平位移約束，下邊界豎直位移約束。埋深38 m。采用 PLANE42單元模擬圍巖，初期支護和臨時支撐采用BEAM3梁單元，計算模型及開挖順序見圖1。

2.2 計算參數

參考地質勘察參數分析報告，結合《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)，以及施工經驗，圍巖、加固區及支護計算參數如表1所示。

3 動態施工力學行為

3.1 圍巖變形

圖1 有限元計算模型及開挖順序

表1 物理力學參數

1)地表沉降

按照實際施工工藝，全斷面法先開挖左洞(斷面小)，CRD法再施工右洞(斷面大)，隨施工步進行，地表橫向沉降曲線演變如圖2所示。

圖2 主要施工步結束后的地表沉降曲線

從圖2看出，左洞施工引起地表沉降較小，最大值為0.63 mm。而右洞施工引起沉降值較大，其中關鍵施工部為右Ⅰ區和右Ⅲ區開挖，及最后臨時支撐的拆除，最后的沉降量達到2.52 mm。最終地表沉降不是左、右洞開挖的簡單線性疊加，而是呈現非線性雙洞相互影響，特別是中巖墻的屈服?？傊?，右Ⅰ區和右Ⅲ區開挖，及最后臨時支撐的拆除要引起足夠重視，保證隧道整體穩定性。

2)洞周關鍵點沉降

洞周豎向變形常常是評價穩定性重要數據，隧道周邊關鍵點(拱頂、仰拱)變形隨施工荷載步變化時程曲線如圖3所示。

圖3 洞周關鍵點豎向變形時程曲線

從圖3看出，左洞拱頂和仰拱豎向變形主要由自身條件決定，右洞施工對左洞基本沒有影響。而左洞施工對右洞變形影響也較小，右洞拱頂、仰拱變形有兩個較大增長點，分別為右Ⅲ區開挖和臨時支撐拆除，需引起重視。

3.2 支護力學響應

典型施工步結束后支護結構彎矩、軸力見圖4～圖6。

圖4 先行洞施工后支護內力云圖

從圖4～圖6可以看出，先行洞施工引起自身的支護內力基本對稱，隨著右洞施工，先行洞內力也在不斷演化，軸力和彎矩峰值逐漸向中巖墻側移動，成為支護穩定關鍵控制部位。對于后行洞而言，由于先行洞開挖，相當于中巖墻部分約束解除，使得豎向臨時支撐承受較大軸力，支護接頭處出現較大彎矩。最后，臨時支護拆除，軸力向環向支護轉移，中巖墻側支護軸力明顯小于背離中巖墻側支護軸力。因此對于后行洞而言，背離中巖墻側支護相對處于更不穩定狀態。

圖5 右Ⅲ區施工后支護內力云圖

圖6 臨時支護拆除支護內力云圖

小凈距隧道施工完全結束后，左洞支護結構關鍵點安全度如表2所示。

從表2看出：非對稱小凈距隧道拱頂、仰拱安全性較好。中巖墻側先行洞安全系數小于背離中巖墻側，成為施工穩定控制關鍵。先行洞中巖墻彎矩、軸力均大于背離中巖墻側。從研究結果來看，建議先行洞非對稱設計，加強中巖墻側設計參數或增大配筋量。

小凈距隧道施工完全結束后，右洞支護關鍵點安全系數如表3所示。

從表3看出：后行洞支護受力規律與先行洞不同，中巖墻側支護軸力小于背離中巖墻側，安全系數大于背離中巖墻側。也就是說，對于右洞而言，應加強背離中巖墻側的支護參數，適宜采用非對稱設計，與先行洞規律相反，才能有效地提高非對稱小凈距隧道整體穩定性，節約成本，加快施工進度。

表2 先行洞支護結構內力和安全系數

表3 后行洞支護結構內力和安全系數

4 施工工序優化

為減小其他因素的影響，計算過程中均采用全斷面工法，研究施工工序對支護結構及圍巖穩定性影響，計算參數及模型如表1、圖1所示。

4.1 支護力學響應

1)彎矩比較

兩種工序條件下，引起的支護結構彎矩見圖7。

從圖7中看出，彎矩絕對值最大值(正彎矩、負彎矩)均發生在拱腳位置，左洞(斷面小)先行時，彎矩最大值發生在左洞(正彎矩78.46 kN·m，負彎矩35.52 kN·m);右洞(斷面大)先行時，彎矩最大值發生在右洞(正彎矩 86.05 kN·m、負彎矩44.87 kN·m)，且均位于中巖墻側。因此，從彎矩峰值大小來看，宜先施工左洞，更有利于支護安全。

圖7 施工結束后支護彎矩分布云圖(單位：N·m)

2)軸力比較

兩種工序條件下，支護結構軸力如圖8所示。

圖8 施工結束后支護軸力分布云圖(單位：N)

從圖8中看出，施工工序對軸力影響較大。左洞先行時，軸力最大值發生在左洞中巖墻側邊墻，為2 000 kN;右洞先施工時，軸力最大值發生在右洞中巖墻側邊墻，為2 280 kN。通?？缍却蟮乃淼婪€定性更差，如果右洞先行，軸力最大值在大斷面隧道，更為不利。因此，綜合考慮，認為先施工左洞更有利于小凈距隧道整體穩定性。

以中巖墻側的關鍵點比較不同開挖工序引起的支護結構安全度見表4、表5。

對比表4、表5，左洞(斷面小)先行，中巖墻附近左洞安全系數小于右洞;右洞(斷面大)先行，中巖墻附近左洞安全系數大于右洞。但是安全系數最小值發生在右洞先行時，因此，左洞(斷面小)先施工較為合理。

表4 左洞先行時支護內力和安全系數

表5 右洞先行時支護內力和安全系數

3)應力比較

不同開挖工序導致支護最小主應力(壓應力)分布如圖9所示。

圖9 施工結束后支護最小主應力分布云圖(單位：Pa)

從圖9看出，左洞(斷面小)先行時，壓應力最大值(11.5 MPa)發生在左洞中巖墻側邊墻處。右洞先行時，壓應力最大值(12.4 MPa)發生在右洞中巖墻側邊墻處。顯然，右洞先行引起支護應力更大。由此，先行洞中巖墻側支護結構受力較大，右洞先行時支護受力更大，考慮到右洞斷面更大，安全性更不好控制，所以左洞先行方案更加合理。

4.2 塑性區分布特征分析

小凈距隧道開挖導致中巖墻承受更大荷載，如果塑性流動失穩，則對圍巖穩定性非常不利，不同開挖工法引起塑性屈服區如圖10所示。

圖10 施工結束后塑性區分布云圖

從圖10中可以看出，左洞先行時，塑性區分布比較均勻沿洞周發展;右洞先行時，最大塑性應變值比左洞先行時要大，最大值發生在中巖墻側，且分布相對不均勻，加大中巖墻的破壞程度，并且塑性區面積顯著增大。因此，從塑性應變最大值、分布均勻程度及塑性區面積，均認為左洞先行優于右洞先行。

5 結論

1)先行洞(斷面小)變形主要受自身施工控制，后行洞(斷面大)關鍵控制步為右Ⅲ區開挖和臨時支撐的拆除，會導致右洞拱部沉降突變，同時CRD法能有效減少洞身變形，控制塑性區增長。

2)隨著后行洞施工，先行洞支護內力不斷演化，軸力和彎矩峰值逐漸向中巖墻側移動，成為支護穩定關鍵控制部位。對于后行洞而言，由于先行洞開挖，相當于中巖墻圍巖部分約束解除，豎向臨時支撐承受較大軸力，使得支護接頭處彎矩較大。

3)臨時支護拆除，其軸力向環向支護轉移，后行洞中巖墻側支護軸力明顯小于外側支護軸力。背離中巖墻側支護相對處于更不穩定狀態。

4)右洞(斷面大)先行時，結構受力與左洞先行正好相反，并且安全系數最小值更小，支護最大壓應力會增大。綜合考慮軸力、彎矩、安全系數、壓應力及塑性區，宜先施工左洞(斷面小)，利用施工偏壓消除或減弱非對稱小凈距結構偏壓作用。

5)隧道宜采用非對稱設計，加強先行洞中巖墻側支護參數，而對后行洞支護設計而言，背離中巖墻側需加強參數。

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U455.41+1

A

1003-1995(2012)01-0054-05

2011-07-20;

2011-10-15

李永瓏(1973— )，男，內蒙古清水河人，高級工程師，碩士。

(責任審編 王天威)