大斷面淺埋暗挖隧道施工穩(wěn)定性分析及安全預(yù)警

李 茂 達(dá)

(山西建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，各大城市均修建了地鐵。雖然，我國(guó)已經(jīng)積累了豐富的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，但面對(duì)地下巖土的復(fù)雜性還是發(fā)生了較多的安全事故[1]。為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道地表變形特征、圍巖壓力特征、開挖方法、支護(hù)結(jié)構(gòu)類型及圍巖參數(shù)等方面進(jìn)行了研究分析。趙東平等[2]對(duì)大跨度隧道施工采用的CD法和CRD法進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同施工方法下隧道圍巖的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)；劉建平等[3]通過對(duì)大斷面隧道開挖引起地表變形的數(shù)值模擬，研究了采用不同施工方法開挖隧道引起地表變形的規(guī)律；張建斌[4]對(duì)大斷面淺埋暗挖CRD法施工初期支護(hù)的安全性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)中隔墻上部與初期支護(hù)拱頂交接部位是CRD法施工初期支護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)。因此，選擇合理的施工方法成為大斷面淺埋暗挖隧道施工技術(shù)的關(guān)鍵。本文借助ANSYS軟件對(duì)該地鐵施工采用CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)施工時(shí)圍巖的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的對(duì)比分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并提出合理化施工建議。

1 工程概況及數(shù)值模擬

某市地鐵南停車場(chǎng)S1型斷面淺埋暗挖段隧道為單洞雙線隧道，長(zhǎng)161.8 m，開挖寬度11.88 m，高度9.55 m，隧道最大埋深14.5 m，最小埋深5.4 m，結(jié)構(gòu)支護(hù)形式為噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、格柵鋼架和二次襯砌組成的復(fù)合式襯砌。隧道地質(zhì)條件較差，圍巖級(jí)別為Ⅴ類，地表上層為黃土狀雜填土，層厚介于1.0 m～4.1 m，其下為粉質(zhì)粘土層，具有弱濕陷性。隧道主要穿越粉質(zhì)粘土層，地下水類型為孔隙潛水，埋藏較深，對(duì)隧道施工和結(jié)構(gòu)安全影響較小。

圍巖及材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖及材料物理力學(xué)參數(shù)

本文ANSYS數(shù)值仿真采用地層結(jié)構(gòu)模型，僅考慮土體自重應(yīng)力，假定土體為連續(xù)、均勻、各向同性的介質(zhì)。采用D-P屈服準(zhǔn)則，按平面應(yīng)變問題進(jìn)行模擬。圍巖采用實(shí)體單元模擬，噴射混凝土和鋼拱架采用梁?jiǎn)卧M，格柵鋼架采用等效折算理論[5,6]。

2 計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析

2.1 圍巖位移場(chǎng)對(duì)比分析

兩種施工方法開挖引起的圍巖豎向位移及各個(gè)導(dǎo)洞開挖引起的地表沉降如圖1所示。

由圖1,表2可知：1)CRD法開挖引起的地表沉降最大值為8.4 mm，位于隧道中心線左側(cè)2 m附近；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的地表最大沉降值為8.1 mm，位于隧道中心線上；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖地表沉降對(duì)稱，易于采取加強(qiáng)措施。CRD法開挖引起的地表沉降槽寬度約為70 m，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的地表沉降槽寬度約為60 m，是CRD法開挖的0.86倍，可以有效降低對(duì)臨近建筑物的影響。2)CRD法開挖和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的地表最大沉降值分別為16.0 mm和15.7 mm，兩種方法開挖引起圍巖豎向拱底隆起位移分別為21.9 mm和21.8 mm；由此可見，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法開挖對(duì)圍巖地表最大沉降和拱底隆起位移影響不明顯，具體對(duì)比如表2所示。

表2 CRD法開挖和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的圍巖變化表 mm

2.2 圍巖應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比分析

兩種開挖方法下引起的圍巖豎向應(yīng)力變化如圖2所示。

由圖2可知：兩種方法開挖在臨時(shí)豎撐和拱頂初期支護(hù)連接處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，仰拱和拱腰處也出現(xiàn)了應(yīng)力集中。1)CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在開挖卸荷后，拱頂圍巖應(yīng)力逐漸減小，CRD法的應(yīng)力最終穩(wěn)定在0.21 MPa，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的應(yīng)力最終穩(wěn)定在0.07 MPa，是CRD法開挖應(yīng)力的0.33倍；2)CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的拱底應(yīng)力均逐漸減小，CRD法的應(yīng)力最終穩(wěn)定在0.23 MPa，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的應(yīng)力穩(wěn)定在0.09 MPa，是CRD法開挖應(yīng)力的0.4倍；3)整個(gè)開挖過程中,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的臨時(shí)橫撐與初期支護(hù)連接處的應(yīng)力均小于CRD法；臨時(shí)橫撐下部土體開挖均引起連接處應(yīng)力的減小，但兩種施工方法引起的變化規(guī)律基本一致，如表3所示。

表3 臨時(shí)橫撐與支護(hù)連接處應(yīng)力成果表 MPa

2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)對(duì)比分析

CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖后對(duì)整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)分別如圖3,圖4所示。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法開挖在臨時(shí)支護(hù)和初期支護(hù)連接處均出現(xiàn)應(yīng)力集中。施工時(shí),應(yīng)加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)與初期支護(hù)連接處的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，確保施工安全。開挖過程中，CRD法開挖引起的最大彎矩為541.73 kN·m，最大軸力為1 300.0 kN。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的最大彎矩為387.84 kN·m，為CRD法的72%，最大軸力為1 160.0 kN，為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的0.89%；由此可知，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布對(duì)稱，其內(nèi)力狀態(tài)優(yōu)于CRD法。

3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法監(jiān)測(cè)成果分析

選取隧道K1+010斷面1號(hào)導(dǎo)洞進(jìn)行拱頂沉降和凈空收斂監(jiān)測(cè)，其拱頂沉降和收斂變化規(guī)律見圖5,圖6。

由圖5,圖6可知：1)隧道拱頂沉降值和凈空收斂值的變化規(guī)律基本一致，可分為三個(gè)階段：增長(zhǎng)階段，趨向平穩(wěn)階段和穩(wěn)定階段，符合“S”型沉降曲線。2)第1天～第28天，拱頂累計(jì)沉降為13.8 mm，沉降速率為-1.1 mm/d～0.2 mm/d；隧道收斂值為8.9 mm，收斂速率為-0.8 mm/d～1.3 mm/d；拱頂沉降和隧道收斂速率均變化較大。第28天～第35天，拱頂累計(jì)沉降為14.5 mm，拱頂沉降速率為-0.4 mm/d～-0.1 mm/d；隧道收斂值為9.5 mm，收斂速率為-0.6 mm/d～0.4 mm/d；拱頂沉降和隧道收斂逐漸趨于穩(wěn)定。第35天之后，拱頂沉降和水平收斂達(dá)到穩(wěn)定，其拱頂累計(jì)沉降為14.6 mm，隧道收斂值為9.7 mm；拱頂沉降和隧道收斂基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可知，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的拱頂沉降和凈空收斂集中發(fā)生在第1天～第28天，拱頂累計(jì)沉降值為總沉降值的94.5%，凈空收斂值為收斂總值的91.8%，此階段應(yīng)提高監(jiān)測(cè)頻率，加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，確保施工安全。從第28天開始圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，第28天時(shí)拱頂累計(jì)沉降值為最終累計(jì)沉降值的99.3%，收斂值為最終累計(jì)收斂值的97.9%，可拆除臨時(shí)支撐，施作二次襯砌。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)大斷面隧道CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖過程的數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比得出如下結(jié)論：

1)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的拱頂最大沉降為15.7 mm，地表最大沉降為8.1 mm，地表沉降槽寬度約為60 m，是CRD法開挖引起拱頂最大沉降的0.98倍、地表最大沉降的0.96倍、地表沉降槽寬度的0.86倍，其值均小于CRD法開挖，對(duì)隧道開挖附近有建筑物的工程有明顯的改善作用。

2)CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，臨時(shí)豎撐與拱部初期支護(hù)處、臨時(shí)橫撐與拱部初期支護(hù)處均易出現(xiàn)應(yīng)力集中，可采用提高鋼拱架節(jié)點(diǎn)的焊接質(zhì)量或者增加支護(hù)結(jié)構(gòu)局部厚度來改善受力。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)還應(yīng)根據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，圍繞圍巖動(dòng)態(tài)變形理論適時(shí)的加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)。

3)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化明顯優(yōu)于CRD法，其開挖引起的最大彎矩為387.84 kN·m，最大軸力為1 160.0 kN，是CRD法開挖引起最大彎矩的0.72倍，最大軸力的0.89倍。

4)通過對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工階段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，可知拱頂沉降及凈空收斂集中發(fā)生在第1天～第28天，累計(jì)沉降達(dá)到總沉降值的94.5%，收斂值達(dá)到總收斂值的91.8%。從第28天后，圍巖變形趨于穩(wěn)定，拱頂累計(jì)沉降值達(dá)到最終沉降值的96.7%，收斂值達(dá)到最終收斂值的91.7%，此時(shí)宜拆除臨時(shí)支撐，施作二次襯砌。

綜上所述，對(duì)于大斷面淺埋暗挖隧道，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的圍巖位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)均優(yōu)于CRD法，在實(shí)際施工時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。