地鐵隧道初期支護參數優化研究

張 濤

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056）

0 引言

盾構法是暗挖法施工中的一種全機械化施工方法，具有自動化程度高、施工速度較礦山法快、對地面建筑沉降影響小等優點。然而在某些特殊地段，如地鐵盾構施工遭遇極硬巖、孤石群或軟硬不均地層時，盾構不僅掘進速度慢、刀盤磨損快，造成總造價升高，而且可能出現一系列工程事故。針對這些特殊地段，將礦山法和盾構法結合起來組合施工，即先通過礦山法開挖并完成初期支護，然后盾構空推完成管片拼裝，可發揮2種工法各自最大的優勢和效益。文獻［1］介紹了“礦山法+盾構法”在深圳地鐵5號線的應用情況，講述了盾構空推關鍵施工工藝；文獻［2］通過數值模擬，分析了深圳地鐵2號線結合段盾構空推管片受力情況；文獻［3］通過建立平面有限元模型，對軟巖隧道支護方式和支護參數進行了優化分析。

國內外關于礦山法結合盾構法隧道初期支護優化研究較少，由于在支護參數選取方面存在不確定性，為了避免出現工程隱患和工程材料浪費，需要對擬定的支護參數進行優化設計［4］。本文采用FLAC 3D軟件進行計算，結合正交試驗設計方法，評價各錨噴參數與評價指標之間的關系，確立合理的支護參數取值，為工程提供理論支持。

1 工程概況

武漢軌道交通3號線是連接漢口、漢陽的骨干線路，也是第1條下穿漢江的地鐵線路，連接主城區與武漢經濟開發區，預計將于2015年完工，屆時將匯合武漢市地鐵2號線和4號線，形成連接武漢三鎮的環線。

過漢江區間由于下穿漢江段和漢陽段地質差異較大，漢陽段采用礦山法施工，下穿漢江段采用盾構法施工，故在漢陽岸側（CK11+253.876～+577.50段）采用礦山法和盾構法組合施工，該段區間線路以25‰的坡度下坡至區間最低點，然后以7.5‰的坡度上坡下穿漢江，線路豎曲線半徑為5 000 m。組合段隧道內凈空為半徑5.5 m的圓形斷面。隧道穿越中風化灰巖及石英砂巖地層，強度為33～58 MPa，處于Ⅲ至Ⅳ級圍巖。

2 數值模擬分析

2.1 模型建立及監測點選取

本文以（CK11+253.876～+577.50）段中部噴錨支護段隧道為研究對象建立模型。在高程方向，由于高度變化率小于1%，簡化為水平面內的隧道。為了消除邊界效應對計算結果的影響，正面隧道斷面中點為模型坐標原點，模型寬度X軸方向取58 m（-29 m，29 m），底部到頂部Z軸方向取65.95 m（0 m，65.95 m），隧道軸線Y軸方向取60 m（0 m，60 m）。模型網格劃分及相關監測點位如圖1所示［5］。

圖1 有限元模型及監測點位Fig.1 Finite elementmodel and monitoring points

隧道支護采用錨噴支護，根據實際地質條件及規范要求，初步設計錨桿采用砂漿錨桿，長2.2 m，梅花形布置，排距為1.0 m，混凝土采用C25早強混凝土，厚0.15 m。

礦山法隧道斷面如圖2所示。盾構半徑為3 100 mm，管片厚度為350 mm。為保證豆礫石回填層不發生離析現象，回填層厚度不應小于200 mm，初步定為230 mm。最外圈為礦山法開挖后，厚度為150 mm的錨噴支護。考慮到隧道底部盾構機導臺的鋪設，最終凈空高度為7 050 mm，寬度為6 900 mm。

圖2 礦山法隧道斷面初步設計圖Fig.2 Preliminary design of cross-section ofmined tunnel

2.2 邊界條件設定及初始計算參數

對于邊界條件的設置，上臨空面為自由表面邊界，不受任何約束，橫向兩側受到X（水平）方向的位移約束，前后兩側收到Y（縱向）方向的位移約束，模型底層為固定邊界，即同時受到X，Y，Z（水平、縱向、豎向）3個方向的約束。

根據現場地勘資料，隧道上覆土層主要有3層，分別是素填土、粉質黏土和黏土。隧道主體穿過中風化砂巖層，通過室內實驗得出的巖土體力學參數如表1所示。支護材料模擬方式如下：采用塊體單元（brick）模擬噴射混凝土，厚為15 cm；用錨索單元（cable）模擬錨桿支護［6-7］，錨桿長2.2 m，錨桿布置方式為梅花形布置，排距為1.0 m。圍巖采用摩爾-庫侖彈塑性模擬，噴射混凝土塊采用實體單元模擬，錨桿及襯砌的力學參數如表2所示。

表1 巖土體力學參數Table 1 Mechanical parameters of rock and soil

表2 錨桿和噴射混凝土的力學參數Table 2 Mechanical parameters of anchor bolt and shotcrete

3 支護參數優選

3.1 優化評價方法確立

3.1.1 安全考核指標

回填層設計厚度為230 mm，為了滿足豆礫石回填不發生離析現象，回填層厚度須滿足200 mm的要求，即關鍵點位移最大值應不超過30 mm。根據《錨桿噴射混凝土支護技術規范》5.3.3規定，埋深小于50 m的隧洞，允許位移相對值為0.2% ～0.8%。由于凈空高度為7.05 m，寬度為6.9 m，即拱底到拱頂相對變形量不大于56.4 mm，左、右拱腰相對側移量不大于55.2 mm。

3.1.2 經濟考核指標

隧道的成本包括隧道的開挖成本和材料成本，在隧道的圍巖和開挖斷面一定時，隧道的每m開挖成本是相同的，故此處只考慮支護的材料成本，那么隧道每m2經濟成本［8］

式中：li為錨桿排距，i=1，2，3（i=1，2，3表示排距分別為0.8，1.0，1.2 m），梅花形布置錨桿，每排錨桿數為10和9交替，這里簡化為10根；Kj為單根錨桿總成本，j=1，2，3（j=1，2，3表示長度分別為2.0，2.2，2.5 m，值取分別為36，40.5，45元）；mn為混凝土成本（n=1，2，3分別表示混凝土等級為C20，C25，C30，值取分別為1 424，1 820，2 159元/m）。

3.2 優化分析

初期支護采用的錨桿、噴射混凝土支護結構都是隧道中最重要的受力結構。以前期經驗為基礎，對錨桿的長度、排距和噴射混凝土的混凝土強度等參數進行優化。規范規定，錨桿深入圍巖長度須不小于1 m，這里取2.0，2.2，2.5 m分別進行模擬。而對于錨桿排距，模擬取0.8，1.0，1.2 m 分析。噴射混凝土采用C20，C25和C30早強混凝土進行模擬。選用L9（34）正交表，進行正交實驗，如表3所示，總共有3個因素，分別以A，B，C代表［9-10］。

表3 因素水平表Table 3 Factors and their levels

計算采用FLAC 3D軟件，在隧道開挖過程中，采用與實際施工情況一致的工序，即掘進分為上、下臺階開挖，挖掘上臺階時在內壁設置噴層，挖掘下臺階前在挖掘完的上臺階設置錨桿，同時在上臺階再向前挖掘一段并在內壁設置噴層。每掘進一次，整個過程就循環一次，直至開挖和噴錨結束，每次掘進3 m作為一施工步。為了減少邊界效應對計算結果的影響，選取縱軸30 m斷面處為監測斷面，試驗安排及計算結果如表4所示。

表4 試驗安排及計算結果Table 4 Experiment arrangement and calculation results

各因素對各指標的影響如表5所示。由表5通過極差分析和直觀分析可以看出：改變混凝土等級雖然可以明顯減少位移，但是會造成整體造價大幅度增加；對位移的影響，錨桿長度大于錨桿排距；對造價的影響，錨桿長度小于錨桿排距，增加錨桿長度不僅可以使位移更小，且造價增長量也較小。因此最后得出的最優支護參數為錨桿長2.5 m，錨桿排距為1.0 m，混凝土等級采用C25。

表5 各因素對各指標的影響Table 5 Influence of each factor on the indices

3.3 優選結果驗證

將前面得出的最優方案代入FLAC 3D軟件進行計算，驗證該方案的可行性。圖3為隧道經過錨噴支護下的地表橫向沉降槽曲線。地表變形趨勢符合Peck公式［11］關于地表的變形趨勢，兩端至隧道中心線，越靠近中心線，地表沉降越大，反之越小，最大沉降部位位于隧道軸線中間對應的地表。未經支護的隧道引起的地表沉降最高達23.7 mm，而經過支護的隧道引起的地表沉降最大沉降量為4.57 mm，滿足規范規定的不大于3 cm的要求，可見隧道合理支護能有效抑制地表沉降。

圖3 地表橫向沉降曲線Fig.3 Curves of transverse ground surface settlement

圖4和圖5分別是最大主應力圖和塑性區圖。對比2圖可知，拱頂和拱底出現了應力集中現象，由于支護作用，圍巖并未出現塑性區。

圖4 最大主應力圖Fig.4 Contour ofmaximal principal stress

圖5 塑性區圖Fig.5 Plasticized zone

圖6是豎向應力云圖。由圖6可知，隧道頂部發生沉降，底部隆起，最大沉、隆位移分別出現在拱頂和拱底附近。如表6所示，隧道每m造價為2 270元，經濟性符合要求；監測點位移值不超過30 mm，滿足回填層厚度大于200 mm的要求；拱頂、拱底相對位移為53.73 mm，滿足相對位移不大于56.4 mm的要求。故該組支護參數是最優支護參數組合。

圖6 豎向位移云圖Fig.6 Contour of z-displacement

表6 4個監測點位移值Table 6 Displacementsmeasured at 4 monitoring points

4 結論與建議

1）將正交試驗方法引入數值模擬中進行優化設計是可行的，該方法不僅簡單易行，而且能顯著減少試驗次數。

2）比較系統地研究了錨桿長度、錨桿排距和混凝土等級對拱頂、底相對位移，左、右拱腰相對側移和隧道每m造價的影響規律，并以此確定了最優支護參數組合。

3）國內外對支護優化的研究較多，然而針對礦山法結合盾構法組合施工工法的支護研究較少，該結論對工程設計具有一定指導意義。

4）本文雖然得出了最優支護參數，但在工程施工階段，還需要根據實際工程的反饋信息，進行有效的修正或更改，以滿足安全性和經濟性的要求。

5）正交試驗所選取的影響因素未包含噴射混凝土厚度和錨桿間距等因素，期待日后加以完善。

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