復(fù)雜環(huán)境下城市地鐵隧道開挖方法的數(shù)值模擬分析

劉世平 張紀(jì)云 潘柯林

（1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院；2.河南迅達(dá)爆破有限公司）

在地鐵隧道施工中，淺埋暗挖法是最傳統(tǒng)的施工方法，其原理是利用圍巖或土層在開挖過程中未發(fā)生大面積塑性變形之前，通過及時采取主動、被動支護(hù)等措施，使支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖或土層形成整體，從而達(dá)到隧道結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定的施工方法［1-3］。城市地鐵施工采用礦山法進(jìn)行開挖可以細(xì)分為中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖法、臺階法等。面對不同施工條件采取不同施工方案，地質(zhì)條件、隧道斷面及埋深、周圍環(huán)境條件及工程要求等都是影響確定地鐵隧道施工方案的重要因素［4-7］。在開挖過程中施工方法的不同，對圍巖或土層的影響程度及特點(diǎn)是不同的。通過對比不同施工方案下圍巖或土層變形特征，可以研究不同施工方案在特定條件下的適用性，為施工方案的選擇提供參考［8-9］。

1 工程概況

石家莊市城市軌道交通2 號線東崗頭站—新世隆站區(qū)間起始于東崗頭站，沿匯通路轉(zhuǎn)入建設(shè)大街，自南向北敷設(shè)至新世隆站。區(qū)間沿線有多處建筑物、2 條管線以及1 條熱力隧道。礦山法區(qū)間作為盾構(gòu)區(qū)間和明挖區(qū)間的連接部分，周邊施工環(huán)境復(fù)雜，礦山法開挖區(qū)間隧道平面圖如圖1 所示。礦山法區(qū)間采用馬蹄形斷面，開挖跨度和高度分別為8.4、8.47 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用噴射混凝土+格柵鋼架措施，二次襯砌采用模筑鋼筋混凝土，2 次襯砌之間設(shè)柔性防水層。礦山法區(qū)間起點(diǎn)里程YK29+825.343 m，礦山法區(qū)間終點(diǎn)里程YK29+848.843 m，長 23.5 m；礦 山 法 區(qū) 間 YK29 +825.343～YK29+848.843 m 段線路縱向坡度呈連續(xù)上坡，區(qū)間線路坡度由5‰轉(zhuǎn)為2‰（豎曲線半徑為5 000 m）。軌頂標(biāo)高50.700～50.767 m，地面標(biāo)高68.790～68.870 m，覆土厚度約12 m。根據(jù)詳勘資料，礦山法區(qū)間采用深孔注漿、超前地質(zhì)探孔、掌子面注漿等工程措施以保證施工安全。礦山法區(qū)間需滿足二襯完成后盾構(gòu)通過條件。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

2.1 工程地質(zhì)

擬建區(qū)間場地巖土層主要為滹沱河沖洪積形成，采用礦山法施工段擬建隧道右線YK29+825.343～YK29+848.843 m，頂板標(biāo)高約為58.46 m，底板標(biāo)高約為48.32 m。根據(jù)鉆探現(xiàn)場揭露，該段自上而下分布土層依次主要為素填土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂。因基底埋置較深，隧道側(cè)壁主動土壓力較大，粉細(xì)砂層自穩(wěn)能力較差，施工過程中容易發(fā)生坍塌，施工時需要及時支護(hù)，施工作業(yè)時應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，及時封閉，減少作業(yè)用水對土體的影響，同時應(yīng)減少施工振動。

2.2 水文地質(zhì)情況

根據(jù)勘察相關(guān)資料可知，地下水埋深約38 m，地下水類型為潛水，未見上層滯水，但由于大氣降水、管道滲漏等原因，擬建區(qū)間場地內(nèi)不排除局部存在上層滯水的可能性。

3 數(shù)值模擬方案

針對城市地鐵隧道地下暗挖工程的特點(diǎn)，基于工程經(jīng)驗(yàn)，擬定三臺階法和CRD法2種開挖方案進(jìn)行數(shù)值計算模擬，并對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。根據(jù)該段工程資料使用FLAC3D軟件5.0 版本建立數(shù)值計算模型：隧道埋深為12 m，上邊界為地表面，左、右及下邊界距離隧道3 倍洞徑，寬度為56 m，高度為44 m，沿隧道軸向長度為20 m。2 種模擬開挖方案模型及開挖工序如圖2所示，開挖循環(huán)進(jìn)尺為2 m，上下臺階錯距為4 m，三臺階法設(shè)定臺階高度為2.8 m，CRD法設(shè)定臺階高度為4.2 m。三臺階法模擬開挖工序：超前支護(hù)→上臺階開挖→上臺階支護(hù)→中臺階開挖→中臺階支護(hù)→下臺階開挖→下臺階支護(hù)。CRD 法模擬開挖工序：超前支護(hù)→左側(cè)上部開挖→左側(cè)上部支護(hù)→左側(cè)下部開挖→左側(cè)下部支護(hù)→右側(cè)上部開挖→右側(cè)上部支護(hù)→Ⅷ.右側(cè)下部開挖→右側(cè)下部支護(hù)。

數(shù)值計算模型采用實(shí)體單元；周圍土體采用Mohr-Coloumb 本構(gòu)；隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)只考慮初期支護(hù)的噴射混凝土，采用彈性模型；超前小導(dǎo)管注漿的效果采用提高隧道周邊圍巖物理力學(xué)參數(shù)的方式進(jìn)行模擬。根據(jù)新奧法原理，將隧道二次襯砌作為安全儲備，因此,在數(shù)值模擬中不考慮二次襯砌的影響。根據(jù)地質(zhì)勘探和相關(guān)資料確定模型材料參數(shù)，如表1所示。

4 數(shù)值計算模擬結(jié)果對比分析

隧道開挖方案的評價指標(biāo)應(yīng)具有針對性和代表性，針對2種開挖方案，采用拱頂沉降位移、地面沉降位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)為評價指標(biāo)，進(jìn)行多指標(biāo)的方案優(yōu)化分析。

4.1 拱頂沉降位移

隧道拱頂沉降位移能反映出隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，選取該段距離開挖起始位置2 m 截面處拱頂位置，監(jiān)測其拱頂沉降位移隨掌子面推進(jìn)距離的變化趨勢，如圖3所示。

當(dāng)該段隧道進(jìn)行初次開挖時，采用CRD 法對該段隧道進(jìn)行模擬開挖所造成的拱頂沉降位移僅為1.61 mm，而采用三臺階法進(jìn)行初次開挖所造成的隧道拱頂沉降位移為4.51 mm，采用CRD 法初次開挖所造成的拱頂沉降位移僅為三臺階法的35.7%，這是由于CRD 法初次開挖時的開挖面更小，所引發(fā)的拱頂沉降位移也更小。當(dāng)掌子面推進(jìn)距離達(dá)到20 m 時，采用CRD 法對隧道進(jìn)行開挖，監(jiān)測點(diǎn)拱頂沉降位移為8.26 mm，采用三臺階法對隧道進(jìn)行開挖，監(jiān)測點(diǎn)拱頂沉降位移達(dá)到19.03 mm，采用CRD法初次開挖所造成的拱頂沉降位移僅為三臺階法的43.4%。隨著掌子面的推進(jìn)，采用CRD 法進(jìn)行模擬開挖時，拱頂沉降位移會更快收斂，而采用三臺階法進(jìn)行模擬開挖時，拱頂沉降位移收斂所需的時間會更長。從拱頂沉降位移方面分析，CRD 法優(yōu)于三臺階法。

4.2 地面沉降位移

地面沉降位移能反映出隧道開挖對于周圍環(huán)境造成的影響。選取該段隧道2 m 截面處拱頂位置，監(jiān)測地面沉降位移隨掌子面推進(jìn)距離的變化趨勢，如圖4 所示。通過圖4 可以看出，隨著掌子面的推進(jìn)，隧道正上方地面沉降逐漸增大。當(dāng)掌子面推進(jìn)20 m時，CRD 法和三臺階法所造成的地面沉降位移分別為1.61 和7.43 mm，采用CRD 法進(jìn)行模擬開挖引起的地面沉降僅為三臺階法的21.7%，且采用CRD法進(jìn)行模擬開挖時，隨著掌子面的推進(jìn)，地面沉降位移變化趨勢更為緩慢。從地面沉降位移方面分析，CRD 法優(yōu)于三臺階法。

4.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)可以反映出隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的趨勢和所處的受力狀態(tài)。模擬開挖完成后，不同開挖方案支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力云圖如圖5、圖6 所示。可以看出，隧道拱頂和拱底主要處于受拉狀態(tài)，隧道兩側(cè)拱腰主要出于受壓狀態(tài)。采用三臺階法和CRD 法模擬開挖完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力峰值分別為-4.45和-4.70 MPa，出現(xiàn)部位在兩側(cè)拱腰，2 種方案的差別不大，這是因?yàn)槟M工況中隧道上覆土層厚度相同，拱腰部位承壓荷載一致；支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力峰值分別為1.14 和0.53 MPa，出現(xiàn)部位在拱底和拱頂部位，可以看出，采用CRD 法有效減小了支護(hù)結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力，從而減小豎向沉降，有利于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

（1）通過對2 種方案拱頂沉降位移的對比可知，采用CRD 法可以有效降低隧道拱頂沉降位移，并減緩拱頂沉降的速度，提高隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（2）通過對2種方案地面沉降位移的對比可知，2種方案所造成的地面沉降位移都在允許范圍之內(nèi)，采用CRD 法時地面沉降位移收斂至1.61 mm，上覆土層會更早進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，對周邊環(huán)境影響更小。

（3）2 種方案支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)顯示出隧道拱頂和拱底主要處于受拉狀態(tài)，隧道兩側(cè)拱腰主要處于受壓狀態(tài)；由于上覆土層厚度相同，拱腰部位應(yīng)力基本一致；CRD 法可以有效減小拱頂和拱底部位應(yīng)力，使得隧道結(jié)構(gòu)整體處于更為穩(wěn)定的狀態(tài)。