軟土地基城市隧道施工數值分析

李 巧， 吳維國， 李肇娟， 曹平貴

(中建海峽建設發展有限公司， 福建福州 350015))

[定稿日期]2017-08-20

我國的基礎設施建設已進入大發展時期，位于軟土地區的城市建設在飛速發展，人們也越來越重視地下空間的開發利用[1-2]。地下工程在其數量和規模上迅速增加，從而產生了大量的地下開挖工程。據報道，2004年，杭州市在人車矛盾比較集中的路口，修建了10條地下過街通道[3]；2006年，又開建了11處地下過街通道。溫州市于2007年底規劃建設三條人行過街通道[4]。此外，上海、南京、武漢等城市都在大規模的進行人行過街通道的建設。在軟土地層中修筑地下工程的施工方法主要有:盾構法、明挖法、頂管法、淺埋暗挖法等[5]。地下工程建設中應用的淺埋暗挖法是以加固處理軟弱地層為前提[6-7]，但是目前采用淺埋暗挖法修建城市隧道仍受到地質條件、結構斷面、地形條件等因素的影響，應用范圍受到一定限制[8-9]。特別是城市隧道采用淺埋暗挖法基本是在無水條件下施工，通常情況下，人行過街通道地下水位一般較高，地下水的影響往往是淺埋暗挖法施工成敗的關鍵，而大深度、大范圍降水可能會對周圍環境造成破壞(如導致地面沉陷、地下水流失等)，而且也是造價偏高的一個原因[10]。

國內外雖然在采取一系列輔助施工措施后，應用范圍有所拓寬，但施工速度仍然很慢，施工對周圍環境影響很大。本文主要研究高含水軟土層中人行地道建設中的關鍵技術問題，將淺埋暗挖法技術向超淺埋、大斷面、多種地層和復雜地質條件中推廣應用。

1 工程概況

1.1 工程概況

城市隧道施工主要為主通道掘進施工，通道標準段覆土3.25m，結構凈寬6m，拱高1m，工程概況如圖1所示。內襯混凝土強度等級均為C30。

圖1 城市隧道工程示意

本工程施工段東面為始發段，西面為終點段，標準開挖進尺3m。施工掘進前采取預加固手段，保證開挖斷面的穩定性。標準段進尺按照6階施工法，隨挖隨撐，標準段施工完成之后增加支撐體系結構形成穩定閉環。初支體系為噴錨結合措施，完成注漿后采取主動分段換撐方式，結合防水措施，逐步拆除臨時支護，完成二襯鋼筋綁扎同時泵送混凝土，完成二襯施工。

1.2 地質情況

由地勘報告可知，本工程中巖土設計參數見表1。場地典型地質剖面圖如圖2所示。

表1 地基土參數

圖2 場地典型工程地質剖面

2 數值分析設計

2.1 有限元模型

假定土層均質分布，土體采用實體單元模擬，作為巖土工程的通用有限元分析軟件，MIDAS/GTS提供了許多土體本構模型，如Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型、Duncan-Chang模型、CamClay模型及ModifiedCamClay模型等，更可采用自定義本構模型。假定土層均質分布，土體采用實體單元模擬，土體本文采用Mohr-Coulomb本構模型，混凝土結構為采用線彈性本構模型。根據施工過程，采用建模助手建立有限元模型。考慮通道主體施工尺寸和影響范圍，簡化模型整體，劃分單元9805個，節點21160個。計算區域有限元網格見圖3(a)，襯砌有限元網格見圖3(b)。

(a) 模型網格劃分

(b) 襯砌網格圖3 有限元模型

2.2 參數選擇

各層土體計算參數按照地勘中實驗結果取用，強度指標按照三軸固結不排水試驗得到的數據。結合當地軟土工程實際，土體彈性模量按照3倍土體壓縮模量取用。混凝土彈性模量取30GPa，泊松比0.2。

2.3 施工模擬

根據施工標準段進行施工模擬劃分，每3m一個標準段，共劃分14個施工段，按照城市隧道掘進工況計算。

3 數值計算結果分析

3.1 場地土體變形

圖4(a)、圖4(b)為地表土體的沉降云圖和沉降數據。圖4(c)為場地土體開挖完成時的整體位移云圖，模擬分析顯示：地表土體沉降隨著城市隧道的施工進度的深入，也在逐步加大，但是相鄰施工段的施工造成的沉降差在1mm左右，隧道最大不均勻沉降大約4mm，對隧道結構影響較小。圖4(c)體現了地表土體位移隨著城市隧道開挖進度的發展規律。

(a) 地表沉降云圖(單位: m)

(b) 地表沉降(單位: mm)

(c) 場地土體整體位移(單位: mm)圖4 土體沉降曲線

3.2 城市隧道變形

圖5(a)、圖5(b)分別是圍護結構變形云圖和拱頂土體沉降及拱底土體隆起曲線及襯砌斜率(表2)。分析結果表明：隨著城市隧道的掘進，土體出現卸載問題，拱頂產生10～15mm的沉降，拱底土體卸載回彈，底面隆起大約51～55mm，隧道施工完成后隆起值穩定在51mm。

(a) 襯砌變形云圖

(b)襯砌豎向變形圖5 襯砌位移曲線

方向Z方向X方向斜率/‰0．150．05

3.3 襯砌內力

城市隧道周圍環境的影響、襯砌自重應力及施工荷載引起城市隧道襯砌結構變形，從而在襯砌混凝土結構中產生次應力，可能影響城市隧道結構的安全性。分析表明城市隧道掘進施工引起的混凝土結構內力變化相對不大，仍在設計控制之內(表3)。

表3 主通道襯砌內力

4 結 論

根據場地地勘資料和結構設計數據，建立城市隧道有限元分析模型，考慮了開挖施工工況，實現了城市隧道施工的數值計算，并得到如下結論：

(1) 施工引起的地表水平位移相對較小，豎向沉降最大為11.5mm，出現在主通道開挖完成時第14圈襯砌的頂部地表，地表土體水平位移在1mm左右(出現在工況17，即主通道隧道開挖完成)。

(2) 主通道襯砌X方向水平位移與Y方向水平位移都很小，控制在10mm范圍內，X方向最大水平位移為5.7mm，Y方向最大水平位移為6.5mm；襯砌的豎向最大位移，開挖初期主要發生在第一圈襯砌上，從開挖第1段土至開挖最后一段土之前，第一圈襯砌拱頂沉降-9.2mm，拱底中部隆起在開挖到中間位置時隆起到53mm，開挖后半段隆起值降到51.3mm；開挖完成后最后一圈襯砌拱頂沉降-13.7mm，拱底中部隆起51mm。主通道開挖施工過程中，未開挖的土體斷面有向外凸出的現象，最大凸出量為主通道開挖一半時，未開挖土體向外凸出53.8mm。

(3) 主通道隧道開挖施工導致混凝土襯砌管片內力變化很小，可以忽略其影響。在局部區域襯砌管片彎矩的最大增加值為150kN·m/m，剪力的最大增加值為100kN/m。結合工程實際情況，增加后的內力仍在混凝土襯砌承載能力范圍之內，滿足人行過街通道主體結構的安全要求。

由上述結論可知，根據數值分析預判地下通道施工過程模擬是可行的，通過控制實際施工中的施工工藝，可以保證城市隧道結構的安全性。

[1] 王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論[M].合肥:安徽教育出版社, 2004.

[2] 陳偉.城市地下空間開挖對環境的影響與試驗研究[D].長沙：中南大學，2006.

[3] 葉蕾.杭州有望再添十條人行地道[EB/OL].http://www.hangzhou.com.cn/20040101/ca590714.html，2004-11-18.

[4] 溫州網.溫州將建三條過街通道[EB/OL].http://www.zjol.com.cn/05zjnews/system/2007/10/31/8934401.shtml，2007-10-31.

[5] 張海波.地鐵隧道盾構法施工隊周圍環境影響的數值模擬[D].南京：河海大學，2005.

[6] 姚海波.大斷面隧道淺理暗挖法下穿既有地鐵構筑物施工技術研究[D].北京：北方交通大學，2005.

[7] 王夢恕.北京地鐵淺埋暗挖法施工[J].鐵道工程學報，1988， 12(4): 7-1.

[8] 孔恒.城市地鐵隧道淺埋暗挖法地層預加固機理及其應用研究[D].北京:北方交通大學，2003.

[9] 王霆，劉維寧.地鐵車站淺埋暗挖法施工引起地表沉降規律研究[J].巖石力學與工程學報，2007，26(9)：1857-1863.

[10] 王紹君，劉宗仁，陶夏新.淺埋暗挖隧道施工性態的數值模擬與分析[J].土木工程學報，2007，40(6)：76-80.