大斷面地鐵隧道開挖不同支護(hù)因素影響研究

馬曉亮，楊曉東

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京100027）

1 引言

近年來，由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件的復(fù)雜性，地鐵隧道開挖引起的地表變形受很多因素影響，除巖土體自身狀況外，支護(hù)參數(shù)的選擇、施作時(shí)機(jī)、合理的施工工法、開挖進(jìn)尺等因素也對(duì)其有著重要影響。由于巖土體介質(zhì)具有非均質(zhì)、非連續(xù)、非線性的特點(diǎn)，目前數(shù)值模擬方法在研究復(fù)雜地下工程問題時(shí)具有較好的適用性【1】。本文結(jié)合實(shí)際工程，借助FLAC3D 軟件，針對(duì)大斷面隧道開挖不同支護(hù)因素的影響進(jìn)行研究。

2 工程概況

哈爾濱地鐵3 號(hào)線二期工程湘江路—會(huì)展中心區(qū)間（簡(jiǎn)稱湘會(huì)區(qū)間）地鐵隧道暗挖段工程自湘江路站起，自南向北沿紅旗大街敷設(shè)至?xí)怪行恼局梗L(zhǎng)721.633m，采用淺埋暗挖法施工。大斷面隧道設(shè)計(jì)開挖尺寸為寬14.15m、高10.62m、長(zhǎng)10m，頂板埋深約10.9m，底板埋深約21.5m，穿越地層主要為粉質(zhì)黏土層、細(xì)中砂、中砂含水層、粗砂含水層。

3 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)工程地質(zhì)的簡(jiǎn)化模型，按照各層土所屬的類別，結(jié)合本工程相關(guān)土體的具體特性，選定模擬各層土體的相關(guān)參數(shù)，具體參數(shù)見表1。

表1 土體參數(shù)表

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)與圣維南原理，模型長(zhǎng)、寬、高分別取130m、10m、65m。為保證計(jì)算精度，隧道部分及周邊受開挖影響較大的區(qū)域，網(wǎng)格單元的邊長(zhǎng)均為1～2m，靠近邊界受開挖擾動(dòng)較小的區(qū)域，網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)為3～5m。為了防止角點(diǎn)處產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中，在局部又進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化處理，模型共劃分為45 920 單元、49 077 節(jié)點(diǎn)、55 個(gè)分組，整體計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分情況如圖1 所示。

圖1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

4 不同支護(hù)因素影響的研究

在對(duì)支護(hù)因素影響進(jìn)行分析時(shí)，將所有因素全部考慮進(jìn)去是不切實(shí)際的，本節(jié)只對(duì)其中影響較大的超前支護(hù)范圍、開挖進(jìn)尺、支護(hù)時(shí)間及襯砌剛度進(jìn)行研究，對(duì)比分析土體沉降的不同表現(xiàn)。

4.1 超前支護(hù)范圍的影響

在隧道施工中，掌子面向隧道內(nèi)移動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致地表沉降，而超前預(yù)注漿可以對(duì)這部分沉降進(jìn)行有效的抑制。超前支護(hù)范圍的變化通過向隧道上方不同深度土體注漿來實(shí)現(xiàn)【2】，分別對(duì)注漿范圍為1.5m、2.5m、3.5m 的情況進(jìn)行模擬分析。

注漿范圍變化時(shí)的地表沉降曲線如圖2 所示，隨著拱頂注漿范圍的增加，最大沉降值略微減小，且變化幅度有所減小，沉降槽寬度沒有改變，沉降曲線整體變化趨勢(shì)不受注漿范圍的影響。

圖2 不同注漿范圍下地表沉降曲線

4.2 開挖進(jìn)尺的影響

開挖進(jìn)尺是影響隧道巖土體開挖后再平衡的重要因素，其值不僅決定著地面下沉及拱頂沉降，而且也影響開挖面的穩(wěn)定，尤其是對(duì)圍巖等級(jí)較差的地層，對(duì)于開挖進(jìn)尺的選擇需要考慮多種因素的影響【3】，本節(jié)針對(duì)工程中常見的開挖進(jìn)尺參數(shù)進(jìn)行模擬分析，分別取開挖進(jìn)尺為0.5m、1m、2m。

不同開挖進(jìn)尺下的地表沉降曲線如圖3 所示，隨著開挖進(jìn)尺的增大，地表沉降量急劇增大，且增加幅度有所增大，同時(shí)沉降槽寬度也隨之增大，由此可知，宜采用小開挖進(jìn)尺來減小地表沉降量，控制地表沉降范圍。

圖3 不同開挖進(jìn)尺下地表沉降曲線

4.3 支護(hù)時(shí)間的影響

新奧法強(qiáng)調(diào)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同受力，對(duì)圍巖適時(shí)支護(hù)，從而達(dá)到充分利用圍巖自身強(qiáng)度的目的【4】。支護(hù)時(shí)間的選擇會(huì)嚴(yán)重影響圍巖的穩(wěn)定以及地表的沉降。本節(jié)通過改變支護(hù)結(jié)構(gòu)施作完成運(yùn)行的計(jì)算步（60 步、120 步、180 步）來模擬支護(hù)時(shí)間的影響。

不同支護(hù)時(shí)間下的地表沉降曲線如圖4 所示，隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)施作完成所用時(shí)間的增長(zhǎng)，地表沉降急劇增大，沉降槽寬度也相應(yīng)增大，且變化幅度增加，因而需在隧道開挖完成后及時(shí)施作支護(hù)結(jié)構(gòu)以防產(chǎn)生過大的地表沉降。

圖4 不同支護(hù)時(shí)間下地表沉降曲線

4.4 初襯剛度的影響

基于新奧法關(guān)于圍巖與支護(hù)共同作用的原理，適當(dāng)改變支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，使圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形相適應(yīng)，可以有效地降低圍巖應(yīng)力，達(dá)到安全施工、節(jié)約成本的目的【5】。對(duì)于復(fù)合式襯砌，一般由初期支護(hù)來完全承受圍巖荷載，二次襯砌作為儲(chǔ)備以抵抗隨機(jī)荷載，因此，初期支護(hù)的設(shè)計(jì)剛度對(duì)地層的變形和地面沉降有較大的影響。本節(jié)分別選取彈性模量為14kPa、21kPa、28kPa 3 種襯砌進(jìn)行襯砌剛度模擬。

不同襯砌剛度下的地表沉降曲線如圖5 所示，隨著初襯剛度的增加，最大地表沉降逐漸減小，沉降曲線變化趨勢(shì)以及沉降槽寬度不受影響，在工程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件對(duì)襯砌剛度進(jìn)行合理的控制。

5 結(jié)論

本文以哈爾濱地鐵3 號(hào)線湘江路—會(huì)展中心區(qū)間大斷面地鐵隧道暗挖段工程為背景，針對(duì)不同的開挖、支護(hù)方案建立數(shù)值模型，調(diào)整斷面支護(hù)參數(shù)和施工方案，得出了調(diào)整后的地表沉降分布規(guī)律。

1）開挖進(jìn)尺和支護(hù)時(shí)間的改變對(duì)最大地表沉降有顯著影響，沉降槽的寬度也隨之發(fā)生不同程度的變化，而超前支護(hù)范圍和襯砌剛度的變化僅造成最大地表沉降的小幅改變，對(duì)沉降槽的寬度沒有影響。

2）在施工中，應(yīng)先控制開挖進(jìn)尺和支護(hù)時(shí)間，讓隧道支護(hù)及時(shí)閉合。

3）隧道開挖的橫向沉降曲線變化趨勢(shì)不受上述4 個(gè)支護(hù)因素變化的影響。

4）模擬結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)判斷較一致，符合“嚴(yán)注漿，強(qiáng)支護(hù)，短開挖，快封閉”的要求，可為有效控制地表沉降提供有力參考。

圖5 不同初襯剛度下地表沉降曲線