小導洞開挖的圍巖應力分布規律
——以北京地鐵17號線東大橋1號導洞為例

馮志耀， 潘旦光*, 曹德更, 王 妍

(1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；2.中鐵十六局集團有限公司，北京 100018)

洞樁法是目前北京地區地鐵車站暗挖施工的主流方法之一[1]，它是利用預先開挖的小導洞施作樁、梁、拱、柱，使之形成主受力的空間框架體系，然后再進行主體斷面的開挖[2-4]。在小導洞開挖過程中，勢必會對土體產生擾動，致使導洞周邊的圍巖應力重分布[5]。由于導洞周圍的巖土體強度低、自穩能力差，當開挖擾動時會使塑性區急劇增大，并發生塑性破壞。應力重分布是影響圍巖體變形的主要因素之一，只有正確掌握其分布規律，才能較好地預測圍巖體的變形[6]，為導洞合理的支護設計提供理論依據，如果對應力分布規律不清楚，加上支護不合理，可能會造成地表沉降過大。尤其對于群洞施工而言，由于導洞數量眾多、間距較小，各導洞引起的地表沉降會產生非線性疊加，此時可能會引起嚴重的地表塌陷[7-9]。因此掌握小導洞圍巖應力隨工作面推進的分布規律具有重要的工程意義。

崔天麟[10]以廣州地鐵臨和村段為例，通過采用結構內力的監測手段，獲得了超淺埋暗挖隧道的圍巖徑向壓力分布規律，并對圍巖壓力進行了穩定性分析；孔恒等[11]根據深圳地鐵實測資料，系統地分析了隧道開挖引起的地層應力分布特征，揭示了城市地鐵隧道工作面圍巖應力重分布的規律，提出了淺埋隧道圍巖應力的分區概念；Peila[12]對縱向玻璃纖維錨桿預加固下工作面前方的位移及應力分布規律進行了研究，并對工作面的穩定性進行了分析；紀維偉等[13]在圓形洞室應力分布計算的基礎，介紹了通過“幾何等代法”“位移等代法”與“當量等代法”進行非圓形斷面工程計算的方法，利用數值模擬進行驗證與比較，并提出了改進；劉國生[14]在分析淺埋暗挖洞樁法施工特點的基礎上，借助Flac3D軟件對施工過程進行了模擬，通過對結果分析得了車站施工過程中地層的應力變化規律、位移變化規律、圍巖塑性區發展規律以及車站施工結束后最終的應力狀態；李衛兵等[15]利用FLAC3D數值模擬軟件研究分析了圓形洞室洞壁圍巖應力隨掌子面推進過程的變化特征；劉寶許等[16]以秦嶺終南山公路隧道為工程背景，計算分析了開挖過程中和開挖后的二次應力場、變形場的變化規律和塑性區分布特征。但對于淺埋暗挖施工的洞室，目前大多學者仍主要以沉降變形為控制基礎進行研究[17-18]，而對其力學行為方面的研究相對較少。

當采用臺階法施作小導洞時，不同的臺階長度對土體沉降變形的影響已經較為明確，但對應力分布規律的影響尚未有明確的定論。為此，以地鐵17號東大橋車站1號導洞為工程背景，利用有限差分軟件Flac3D對其開挖過程的力學行為進行研究，利用數值計算分析臺階長度對導洞周圍應力分布規律的影響，并對應力的分布及分區進行討論分析。通過研究導洞開挖過程中的應力分布規律，有助于確定小導管注漿超前加固的長度，通過分析臺階長度對應力峰值位置及大小的影響，有助于確定合理的臺階長度，而分析導洞的橫向應力分布有利于避免應力疊加效應，同時可為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 地質概況

1.2 小導洞施工概況

車站采用洞樁法施工，無水暗挖作業，導洞施作過程中采用“先邊后中，先上后下，錯洞開挖”的開挖順序，八導洞示意圖如圖1所示。主體導洞開挖前用φ32×2.8 mm小導管對拱頂輪廓線以外0.8 m范圍內的土體進行預注漿加固，加固范圍超前開挖面2 m，注漿漿液采用水泥-水玻璃，注漿壓力控制在0.2～0.5 MPa，要求注漿擴散半徑不小于0.25 m，小導管注漿預加固的主要特點是提高開挖前小導洞周圍的軟弱土體的抵抗能力，減小開挖時導洞周圍土體變形，以保證開挖工作面的穩定性。采用上下臺階法施工，開挖時預留核心土，按設計格柵間距開挖進尺，開挖后先噴混凝土及時封閉，使用C20網噴混凝土加鋼格柵與鋼筋網片進行初期支護，導洞施工過程如圖2所示。

圖1 八導洞示意圖Fig.1 Eightpilot tunnels schematic

圖2 導洞施工過程Fig.2 The construction process of pilot tunnel

2 計算模型及參數

以1號導洞為研究對象進行分析，根據其斷面尺寸及埋深，考慮施工過程中的空間效應及模型的邊界影響，所建模型的長寬為50 m×37.5 m，厚度為40 m，單元總數95 040，節點總數100 764，網格模型如圖3所示。邊界條件為頂面為自由邊界，模型左右兩側面約束x方向水平位移，模型前后兩側面約束y方向水平位移，底面約束z方向位移。

圖3 網格模型Fig.3 Mesh model

表1 土層及結構的計算參數

土層從上到下依次為：

1層土，8.5～17.5 m，由雜填土、素填土、黏質粉土構成。

2層土，1～8.5 m，由粉細砂、細中砂、圓礫構成。

3層土，-5～1 m，由粉質黏土、黏質粉土構成。

4層土，-14.5～-5 m，由中砂、圓礫構成。

5層土，-20～-14.5 m，由粉質黏土構成。

3 臺階長度對圍巖應力分布的影響

計算過程中假定土體為彈塑性材料，襯砌支護結構采用線彈性體，在土體本構模型方面，地層采用摩爾-庫侖模型，不考慮地下水的影響。具體模擬過程如下：①在重力作用下，計算地應力，形成初始地應力場，將初始位移歸零，并假定現有地層的固結已經完成；②通過改變導洞外拱圈的土體參數模擬超前注漿過程，小導管注漿超前工作面2 m，注漿厚度為0.8 m；③利用null單元來模擬不同臺階長度下的開挖過程，每步循環進尺為0.5 m，開挖進尺為20 m；④利用shell單元來模擬襯砌結構，及時封閉開挖區段。具體模擬工況臺階長度依次為2、3、4、5 m，以及全斷面開挖。

3.1 軸向方向圍巖應力分布規律

施工工藝的不同在一定程度上會影響導洞周圍應力的重分布，其中采用臺階法施工時，臺階長度是一個重要的影響因素。圖4所示為不同臺階長度下施工所引起的導洞拱頂徑向應力，可知采用臺階法施工時，隨著臺階長度的增大，拱頂徑向應力的峰值逐漸增大，且呈非線性遞增，當臺階長度由2 m增加3 m時，應力峰值存在一個突增過程；臺階長度增加時，其所對應的徑向應力峰值的位置發生后移，當臺階長度達到3 m時，繼續增加臺階長度，峰值位置不再發生變化。其中采用全斷面開挖時，應力峰值的位置出現在工作面前方5 m處，臺階長度為2 m時，應力峰值位置出現在工作面前方3.5 m處，臺階長度超過3 m時，應力峰值位置出現在工作面前方2.5 m處。

而對于上臺階處工作面前方的豎向應力分布而言，如圖5所示，其峰值大小隨著臺階長度亦呈非線性增加，當臺階長度由2 m增加到3 m時，豎向應力急劇增加，但增幅相對較小，其中采用全斷面開挖時，豎向應力的峰值位于工作面前方4.5 m處，臺階長度為2 m時，豎向應力峰值位于4 m處，臺階長度超過3 m時，豎向應力峰值位于3 m處，且此時豎向應力峰值的位置及大小不再隨臺階長度而改變。

圖4 不同臺階長度下拱頂徑向應力Fig.4 The radial stress of vault under different step lengths

圖5 上臺階處工作面前方的豎向應力Fig.5 The vertical stress in front of the working face at the upper step

從上述分析可知，臺階長度對導洞周圍的應力分布存在較大的影響，這是由于全斷面開挖時，以及臺階過短時，各工序之間施工擾動更強烈，土體發生的塑性破壞較為嚴重，圍巖充分卸載，所以無論是拱頂徑向應力，還是工作面前方的豎向應力的峰值均較小，且位置發生前移，原始圍巖的自承能力較弱。因此就本工程而言，從減少塑性破壞和施工便捷的角度綜合考慮，臺階長度設置為3 m時較為合理；原施工方案中的小導管注漿超前工作面的長度為2 m，建議增加0.5 m，以增強拱頂土體抵抗塑性破壞的能力，同時做到“早封閉”，及時施作初期支護。

3.2 橫向方向圍巖應力分布規律

圖6 右邊幫外側豎向應力Fig.6 The vertical stress outside the right sidewall

在工作面后方10 m的位置處，此時處于施工影響的范圍外，導洞周圍的圍巖壓力處于穩定狀態，不同臺階長度下導洞右邊幫外側的應力如圖6所示。由圖6可知，各工況下的豎向應力均出現應力增加的現象，應力值由近及遠均先增大后減小，其峰值大小隨臺階長度增大而增大，但應力峰值的位置不隨臺階長度而改變，對應的應力峰值出現在邊幫外側1.7 m處。由于相鄰兩導洞之間的距離較近，根據導洞外側的應力分布，為減少兩導洞之間土體的破壞，充分利用導洞外側土體的自承能力，應禁止相鄰導洞同時施工。

4 小導洞應力重分布及分區

在導洞注漿厚度為0.8 m、注漿超前工作面2 m、臺階長度為3 m的工況下，討論導洞周圍應力的分布規律，并對其進行分區。圖7所示為拱頂徑向應力的分布情況，根據其分布可知：工作面后方2 m以外的范圍拱頂徑向應力減少到原巖應力的一半左右，并趨于穩定，稱之為穩壓區；工作面后方2 m到前方2 m范圍內，由于開挖臨空面的產生使圍巖土體局部卸載，拱頂徑向應力急劇減小，稱之為減壓區；在工作面前方2～7 m范圍內拱頂徑向應力先增大后減小，在工作面前方2.5 m處出現應力峰值，其值為0.34 MPa，稱之為增壓區；在工作面前方7 m以外的范圍，拱頂徑向應力基本等于原巖應力，稱之為原巖應力區。導洞縱向剖面的豎向應力云圖如圖8所示，負號表示應力方向朝下。通過對導洞軸向應力分布及分區討論，有利于了解導洞圍巖應力隨工作面推進過程的變化特征，通過了解圍巖應力的動態變化及范圍，對確定導洞的支護的時機和范圍有重要的意義。

圖7 拱頂徑向應力Fig.7 The radial stress of the vault

圖8 導洞縱向剖面的豎向應力云圖Fig.8 Thevertical stress contour of longitudinal section of the pilot tunnel

圖9所示為穩壓區右邊幫外側的豎向應力分布規律，可知在邊幫外側出現應力增高的現象，在0～10 m的范圍內應力值由近及遠先增大后減小，稱之為應力增加區，其范圍相對于工作面前方的應力增加區要大，這是由于導洞側壁對其背后土體移動的約束作用，豎向應力峰值出現在邊幫外側1.7 m處，其值大小為0.4 MPa。工作面后方10 m位置處導洞橫向剖面的豎向應力分布云圖10所示，負號表示應力方向朝下。通過分析導洞橫向應力分布規律，有利于避免應力峰值疊加，同時從充分發揮巖土體自承能力的角度，應嚴禁相鄰隧道同時開挖。

圖9 穩壓區右邊幫挖側的豎向應力Fig.9 The vertical stress outside the right sidewall in the stable stress zone

圖10 導洞橫向剖面的豎向應力云圖Fig.10 Thevertical stress contour of longitudinal section of the pilot tunnel

5 結論

針對北京地鐵17號線東大橋車站1號導洞的施工，采用數值模擬的手段討論分析了臺階長度對導洞周圍的應力分布規律的影響，并對其進行了分區討論分析，得到以下結論。

(1)采用臺階法施工時，隨著臺階長度增加，其拱頂徑向應力和上臺階處工作面前方豎向應力峰值均呈非線性增加，且應力峰值位置發生后移，當臺階長度達到3 m時，應力峰值的位置不再隨臺階長度增加而發生改變，因此臺階長度設置為3 m較為合理。

(2)小導洞開挖會引起圍巖應力二次分布，根據拱頂徑向應力的分布，沿導洞縱向依次可分為原巖應力區、增壓區、減壓區和穩壓區，其中拱頂徑向應力峰值出現在工作面前方2.5 m，建議小導管注漿超前工作面的長度增加到2.5 m。

(3)導洞邊幫外側出現應力增加區，其應力峰值出現在邊幫外側1.7 m處，為充分發揮圍巖的自承能力，應嚴禁相鄰兩導洞同時開挖。