淺埋超大斷面隧道施工階段圍巖穩定性分析

金星亮，胡曦波

(1.中鐵隧道局集團有限公司 勘察設計研究院，廣東 廣州 511455；2.中鐵重慶地鐵建設指揮部，重慶 401120)

多條線路交匯對隧道斷面面積提出了更高的要求。在客運專線及軌道交通隧道中嘗試了大斷面隧道，國內對于大斷面隧道的設計和施工積累了一些經驗。

文獻[1]采用MIDAS/GTS對扁平超大斷面隧道施工力學特征進行了分析，得到了施工過程中隧道圍巖變形規律。文獻[2-3]通過現場試驗、理論分析及數值模擬分別對砂質泥巖及煤系地層隧道圍巖穩定性進行了分析，得到了圍巖應力分布規律。文獻[4]綜合采用了理論分析、數值模擬和現場實測3種方法，對不同開挖方式和支護方式下圍巖的變形規律和穩定性進行了分析。文獻[5]采用數值模似方法，結合監測數據，分析了某大跨軟弱圍巖隧道開挖擾動區域的時空分布特征；文獻[6]對 6 種施工方案下超大斷面黃土隧道開挖過程中圍巖變形進行了數值模擬分析，得出交叉中隔墻法為較優方法；文獻[7]采用MIDAS/GTS軟件，從錨桿受力、噴射混凝土受力以及襯砌變形等方面對3種扁平斷面隧道圍巖受力狀況進行了分析。

以上文獻采用不同的研究方法對隧道圍巖穩定性進行分析，但對于城市地鐵淺埋扁平超大斷面隧道的研究還很少，需要更深入的研究。本文以重慶軌道交通5號線3標段淺埋扁平超大斷面隧道段工程為依托，采用現場測試及數值模擬相結合的方法對圍巖穩定性進行分析。

1 工程概況

重慶軌道交通5號線單拱四線地鐵隧道為國內在建最大跨度暗挖區間隧道，鉆爆法開挖。扁平超大斷面隧道段長約53 m，開挖跨度27.6 m，高度17.2 m，拱頂覆土厚12 m，開挖斷面388.47 m3，矢跨比近0.62，圍巖為砂質泥巖，Ⅳ級。該隧道屬于淺埋扁平超大斷面隧道。

采用雙側壁導坑法施工，步序見圖1，左右導坑開挖依次錯開3～5 m。分步開挖后進行支護。將各分步開挖的相互影響降到最低，進而控制整個斷面開挖坍塌風險。開挖過程中嚴格控制爆破振動，對地表藥廠、高層建筑的振動影響也應降到最低。

圖1 雙側壁導坑施工步序

超大斷面隧道開挖后將會出現更大的塑性區和更大的變形；隧道拱腳應力集中；隧道跨度的增大，拱頂受力作用面積較大，拱頂較易失穩發生坍塌[8]。淺埋隧道由于隧道拱頂覆土較薄，地表易隆起，對地表建(構)筑物影響較大。

2 現場監測

2.1 測點布置

圖2 洞內測點布置(單位：cm)

洞內測點布置見圖2。在隧道兩端及中部各選取一個斷面，在地表以間距8 m埋設測點，共 6 個。監測控制值根據TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》[9]及設計文件確定。拱頂沉降報警值為30 mm，水平收斂、地表沉降、地表隆起報警值分別為30,50，15 mm。

2.2 監測結果分析

斷面DK18+140位于隧道一端，斷面DK18+160位于隧道中部。隧道開挖過程中測點DK18+140-2和DK18+160-2拱頂累計沉降時程曲線見圖3。可見：2個 測點拱頂累計沉降時程曲線變化趨勢基本一致。由于首先開挖到斷面DK18+140附近，該斷面拱頂累計沉降曲線較早達到最大值。進行左右導洞貫通開挖時，由于預留核心土未開挖，拱頂沉降量較小，隨著開挖的進行，拱頂累計沉降呈現持續增大趨勢，監測到第40 d核心土開挖完，拱頂累計沉降在12 mm左右，隨后達到穩定狀態。開挖階段中間斷面測點DK18+160-2的拱頂累計沉降最大，其值為15.4 mm，最終穩定在10.25 mm，未超出TB 10003—2016規定的報警值30 mm。

圖3 拱頂累計沉降時程曲線

圖4 地表累計沉降時程曲線

DK18+160-1～DK18+160-6為斷面DK18+160地表的 6 個監測點，選擇具有代表性的測點 1,4,5進行分析。地表累計沉降時程曲線見圖4。可見：開挖兩側導坑階段地表沉降緩慢增大，受施工等影響出現小范圍波動，各測點的沉降和隆起值在-6～+2 mm變化，整體呈增大趨勢；在施作支護階段90 d 左右測點DK18+160-5出現了明顯的隆起現象，最大隆起值達到3 mm，但未超過控制值15 mm，可能與該處回填土厚度以及周邊橋墩作用有關，施工階段應當密切關注地表沉降以及周邊橋墩沉降情況。在開挖核心土(120 d)后，地表沉降明顯增加，隨后沉降逐漸趨于穩定，部分測點出現小范圍的隆起，但整體波動幅度不大。測點DK18+160-4位于大跨中軸線位置，其余各測點均勻分布于大跨中軸線兩側，測點DK18+160-4地表累計沉降最大，其值為12.44 mm，未超出TB 10003—2016規定的報警值50 mm。

3 有限元模擬

3.1 模型的建立

采用MIDAS/GTS建立有限元數值模型，見圖5，對隧道開挖過程進行動態仿真模擬。隧道圍巖采用三維實體單元。初期支護采用雙層鋼筋網作為骨架，在鋼筋網部位噴射厚30 cm的C25混凝土；二次襯砌及仰拱采用厚100 cm的C40鋼筋混凝土。隧道圍巖及支護結構基本物理力學參數見表1。

圖5 有限元數值模型

圍巖及支護結構彈性模量/MPa重度/(kN/m3)黏聚力/MPa內摩擦角/(°)泊松比模型砂質泥巖1 66025.60.7533.30.36摩爾庫倫噴射混凝土28 00023.00.20彈性錨桿200 00078.00.30彈性二次襯砌33 50025.00.20彈性

根據有限元理論結合工程實際，分析模型寬取5倍 洞徑，拱頂到地表覆土厚取12 m，仰拱至底部取2倍 洞徑。模型左右邊界施加水平方向約束，底部邊界施加豎向和水平向約束，頂部為自由邊界。圍巖選擇摩爾-庫倫本構模型，其他結構采用各向同性彈性模型[10]。

3.2 施工步驟

模擬實際施工過程，采用雙側壁導坑法開挖，具體步驟：

1)首先開挖土體①，每個分析步長5 m，應力釋放30% 后進行初期支護，土體①開挖完一個施工步后，開始開挖土體②，隨后土體①和②同時進行貫通開挖，然后交替進行土體③～⑥的開挖和初期支護,開挖核心土⑦～⑨。

2)核心土開挖完成及初期支護完畢后，拆除臨時支撐施作二次襯砌。

3.3 結果與分析

圖6(a)為圍巖Von Mises應力云圖。可見：拱腳及邊墻附近應力值較大。扁平超大斷面隧道拱頂受力面積較大，拱腳應力集中，應力為1.21×103kPa。

圖6(b)為圍巖豎向位移云圖。可見：拱頂沉降范圍及沉降值較大，仰拱有隆起現象，拱頂最大沉降為5.28 mm，仰拱隆起為7.54 mm。施工階段應加強監測，及時封閉成環。

圖6 圍巖受力及變形云圖

圖7 數值模擬值與實測值對比

3.4 數值模擬值與實測值對比

選取拱頂中間監測點，將數值模擬值與實測值對比，見圖7。可見：拱頂累計沉降及拱腳累計水平收斂的數值模擬值與實測值較為吻合，但地表累計沉降數值模擬值與實測值存在較大差異，特別是拆除中隔墻后地表累計沉降實測值顯著增大。原因：①由于現場施工條件復雜，隧道的開挖及支護都會對圍巖造成擾動；②重慶地區雨量較大，地下水豐富，該工程為淺埋扁平隧道，數值模擬未能準確模擬地表降水、地下水及局部圍巖條件；③該隧道地表土為人工填土，由于雨水的浸入，地表沉降實測數據稍大。

4 結論

1)淺埋超大斷面隧道容易受到地表構筑物影響而出現地表隆起現象，應當加強監測，避免對地表環境造成影響。

2)雙側壁導坑法有效控制了拱頂沉降，各步開挖對圍巖擾動較小，但拆除中隔墻時拱頂沉降會突然增大，并出現回彈現象。這是由于現場施工條件復雜，未能及時支護并封閉成環。

3)在隧道開挖過程中地表累計沉降及拱頂累計沉降曲線出現2個臺階，突變點對應于拆除中隔墻時。拱腳累計水平收斂曲線出現3個臺階，2個突變點分別對應左右導坑開挖和拆除中隔墻時。施工中應當增強拱腳支護強度。

4)扁平超大斷面隧道拱頂受力作用面積大，受力較大部位由拱腰下移至邊墻附近，拱腳應力集中，開挖完成時仰拱隆起，應及時封閉成環。

5)工程實測值與數值模擬值變化趨勢一致，說明采用的數值模型合理，能夠較為真實地模擬實際施工，可為類似工程提供參考。