雙側壁導坑法隧道不同施工階段變形分析

陳志勇，朱紅西，舒 念，盧 淵，黃玨皓

（1.武漢市市政建設集團有限公司，武漢 430023；2.武漢市市政工程機械化施工有限公司，武漢 430023；3.中國科學院武漢巖土力學研究所，巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071；4.中國科學院大學，北京 100049）

近幾年全球氣候受到厄爾尼諾因素的影響，短時間的強降水突然增多，導致城市內澇災害嚴重。為推進武漢“四水共治”建設，武漢光谷交通建設有限公司擬建設光谷一路—高新四路排水通道工程。該項目起于黃龍山北路，沿光谷一路西側規劃走廊向南延伸，止于高新四路路口，全長2 300 m，其中礦山法暗挖隧道780 m。暗挖隧道穿越紅黏土等特殊性巖土地段，地質條件復雜。

目前，中外學者采用理論分析、數值模擬、模型試驗等手段，對大斷面礦山法隧道施工過程中的應力及變形進行了大量研究［1-3］。鄧偉等［4］依托廣西百色達康隧道實際工程，模擬了大斷面隧道采用雙側壁導坑法施工流程，探究了動態施工過程中圍巖變形規律和支護結構受力變化規律；李鵬宇等［5］依托重慶地鐵5 號線和睦站，對結合雙側壁導坑法的TBM 先隧后站技術進行工序優選研究；韓立志等［6］以柞山高速段小嶺隧道為依托，建立數值分析模型對隧道洞口淺埋偏壓段開挖與支護過程進行數值分析，探討了圍巖與襯砌材料的變形與應力變化規律。

現以武漢市光谷一路—高新四路排水通道工程為例，運用有限元分析軟件PLAXIS，建立雙側壁導坑法隧道計算模型，對隧道開挖和支護全過程進行數值分析，對雙側壁導坑法隧道不同施工階段下的地表沉降和拱頂沉降等進行分析。

1 工程實例

1.1 工程概況

雙側壁導坑法施工方案適用于S6a/S6b 區段隧道，起訖里程分別為K0+122.421～K0+180.00、K0+505.00～K0+944.63。其中，初期支護采用CF30 鋼纖維噴射混凝土；二次襯砌采用C35P8 混凝土。隧道開挖后應及時施作相應的初期支護，初期支護穩定后施作二次襯砌。隧道洞身采用復合式襯砌，以錨桿、鋼筋網噴混凝土、鋼拱架為初期支護，模筑混凝土和鋼筋混凝土為二次支護。開挖施工時，全斷面分6 部分依次開挖并進行支護，如圖1 所示，施工順序為Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ。

圖1 雙側壁導坑法隧道橫截面及施工支護情況

1.2 地形地貌

據區域地質資料，擬建場地位于野芷湖倒轉背斜核部南翼，沿線及附近場地無第四系全新統活動斷裂分布。據勘察資料揭露，擬建場地下伏基巖包括志留系泥巖、泥盆系石英砂巖、石炭系灰巖、二疊系硅質巖、炭質泥巖、泥質砂巖及灰巖、三疊系灰巖及泥灰巖，埋深為0～10.0 m，其中灰巖為可溶性巖，勘探過程中揭露有溶洞。

2 數值模型建立

2.1 計算模型

結合場地地質資料和設計資料，在S6a、S6b 區段選取典型斷面，并采用PLAXIS 2D 軟件，分別建立有限元計算模型，開展數值模擬計算。兩個典型斷面的地質情況如下。

1）S6b 區段選取AK0+675 附近下覆紅黏土層截面為研究對象。AK0+675 附近高程為37.07 m，場地內地層概況為：地表分布有厚薄不均的人工填土，其下依次為黏土和紅黏土，再往下為灰巖。隧道穿越黏土層，寬為13.56 m，高為7.01 m。模型地表以下依次分布著1.9 m 深的人工填土，18.0 m 深的黏土，4.0 m 深的紅黏土和13.0 m 深的灰巖。

2）S6a 區段選取AK0+175 附近隧道截面為研究對象。AK0+175 附近高程為37.59 m，場地內地層概況為：地表分布有厚薄不均的黏土，其下依次為9-1-1 強風化泥巖、9-1-2 中風化泥巖。隧道穿越9-1-2 中風化泥巖層，寬為13.44 m，高為6.89 m。模型地表以下依次分布著2.5 m 深的黏土，2.5 m 深的9-1-1 強風化泥巖和35.5 m 深的中風化泥巖。

充分考慮開挖影響范圍和邊界效應，計算模型水平方向總長取100 m，豎直方向視土層深度而定。計算模型的兩側邊界采用法向約束底部邊界采用全約束（法向、切向約束）。

計算分析中，土體采用三角形15 節點單元進行模擬，S6b 區段單元數目為715，節點數目為6 068；S6a 區段單元數目為878，節點數目為7 298；有限元計算網格劃分如圖2 所示。其中，初襯、二襯及臨時襯砌均采用板單元模擬，錨桿等效到周圍土體參數中，其余均采用實體單元模擬，襯砌與土體接觸面上設置接觸單元。

2.2 計算參數

計算分析中，土體采用摩爾-庫侖模型，采用等效的方法將錨桿加固區土體剛度及黏聚力c、內摩擦角φ進行等效。初襯及臨時襯砌噴射混凝土及鋼拱架經等效后得到的等效厚度及剛度賦值于板單元中模擬，二襯采用C35 強度等級混凝土。計算參數見表1～表4。

表1 S6b 區段土層計算參數

表2 S6a 區段土層計算參數

表3 S6b 區段襯砌計算參數

表4 S6a 區段襯砌計算參數表

2.3 計算步驟

施工過程嚴格按照設計資料進行數值模擬。施工中按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ順序分部開挖，每部開挖后施作相應的初期支護1、2、3、4、5、6 及相應的臨時支護，全斷面開挖完成后及時施作仰拱7，然后及時進行二次襯砌8 施工。雙側壁導坑法隧道計算步驟見表5。

表5 雙側壁導坑法隧道計算步驟

3 計算結果分析

3.1 地表沉降分析

暗挖區間隧道的開挖必定會對地表造成沉降變形。根據工程環境條件，本暗挖區間段處于繁華地段，對于地表的沉降控制較為嚴格。通過對不同區段的數值模擬計算，可以對施工過程導致的土體變形有先驗性的認識。圖3 和圖4 分別顯示了S6b、S6a 區段的各個計算步驟的土體豎向位移云圖。圖5 和圖6 分別展示了S6b、S6a 區段隧道開挖過程中的地表沉降分布曲線。

圖3 S6b 區段豎向位移云圖

圖4 S6a 區段豎向位移云圖

圖5 S6b 區段地表沉降曲線

圖6 S6a 區段地表沉降曲線

由圖3、圖4 可以看出，在隧道開挖過程中，洞周土體均發生不同程度的變形，隨著施工階段的進行，土體位移逐漸增大。由于左側導坑先行開挖，造成左側地表率先產生沉降變形。開挖完成以后，最大的沉降變形發生在隧道中軸線對應的地表處。同時，從圖5、圖6 可以看出，隨著隧道的開挖，地表沉降最大值逐漸增大。施作二襯后，地表沉降最大值及沉降槽范圍均有所減小。隧道開挖完成后，地表橫向沉降槽形狀基本與Peck 曲線相近。S6b 區段地表最大沉降值為2.1 mm，地表沉降槽影響范圍在隧道軸線20 m 范圍內。S6a 區段地表最大沉降值為1.2 mm，地表沉降槽影響范圍在隧道軸線20 m 范圍內。

3.2 拱頂沉降及拱底隆起分析

圖7 和圖8 分別為S6b 及S6a 區段雙側壁導坑法隧道開挖過程中支護結構的豎向位移圖。不同區段隧道拱頂沉降及拱底隆起最大值見表6 和表7。從圖7、圖8 可以看出，采用雙側壁導坑法進行區間隧道的開挖時，隧道拱頂及拱底的中間部位產生較為明顯的變形，且拱頂沉降及拱底隆起最大值發生位置隨施工階段的不同而發生變化，其中S6b 區段開挖下導坑對拱頂沉降有一定的抑制作用，原因是臨時支撐及時施作起作用。S6a 區段由于拱頂沉降值相對很小，所以開挖下導坑對拱頂沉降的抑制作用并不明顯。

表6 S6b 區段拱頂及拱底豎向位移值

表7 S6a 區段拱頂及拱底豎向位移值

圖7 S6b 區段拱頂及拱底豎向位移圖

當施工完成后，S6b 區段雙側壁導坑法的拱頂沉降最大值為6.9 mm，拱底隆起最大值為7.9 mm，均發生在隧道軸線處。S6a 區段雙側壁導坑法的拱頂沉降最大值為2.8 mm，拱底隆起最大值為7.3 mm，同樣發生在隧道軸線處。

4 結論

以光谷一路—高新四路排水通道工程為例，運用有限元分析軟件PLAXIS，對雙側壁導坑法隧道建立有限元模型，重點對隧道開挖引起的地表沉降和拱頂沉降變化規律進行分析，得到以下結論：

1）在隧道開挖過程中，洞周土體均發生不同程度的變形。開挖完成后，地表沉降曲線呈凹槽型，其形狀與Peck 曲線相近，同時產生地表沉降的最大值在隧道軸線對應的地表處。S6b 區段地表最大沉降值為2.1 mm，地表沉降槽影響范圍在隧道軸線20 m 范圍內。S6a 區段地表最大沉降值為1.2 mm，地表沉降槽影響范圍在隧道軸線20 m 范圍內。

2）隧道開挖過程中，開挖側導坑依次產生較為明顯的變形。開挖完成后，隧道襯砌豎向位移沿軸線對稱，其中S6b、S6a 區段雙側壁導坑法的拱頂沉降最大值分別為6.9、2.8 mm，拱底隆起最大值分別為7.9、7.3 mm，且最大值發生位置均在隧道軸線對應的拱頂及拱底處。