淺埋連拱隧道施工動態響應特征研究①

陳 兆，王海林，蔣 源

（湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410200）

明挖基坑因具有高效、快速、容易組織施工等優點而被廣泛應用于地鐵車站建設中，而實際建造過程中，面對管線遷改量大、交通疏解困難、周邊建筑物眾多等復雜施工環境，大規模基坑開挖難以實施，局部連拱隧道暗挖方法應運而生。暗挖隧道由于需要下穿建筑、管線等設施，其自身結構穩定性以及不同施工方案均對上部環境有一定影響，因此，研究其動態施工過程具有重要的現實意義［1?13］。

本文以廣東某地鐵車站工程為實際依托，采用現場監測與三維數值模擬相結合的方法重點研究連拱隧道中導洞法開挖過程中圍巖、支護結構、中隔墻等結構的應力分布情況以及地表沉降等指標的動態響應特征，研究結果可為淺埋連拱隧道暗挖施工關鍵部位的確定提供指導。

1 工程概況

地鐵車站有效站臺中心里程為YDK8＋711.600，起點里程為YDK8＋292.340，終點里程為YDK8＋807.000。其中YDK8＋292.340～YDK8＋378.340為86 m暗挖段，該段為單層雙連拱隧道，標準段寬24.86 m、高11.24 m、埋深21.17 m，采用中導洞法施工。暗挖段地層由上至下依次為填土層、可塑狀粉質黏土層、全風化碎屑巖層、強風化泥質粉砂巖層以及微風化泥質粉砂巖層。根據“短開挖、強支護、快封閉”原則，隧道中導洞分臺階開挖，臺階高度由上至下依次為4.8 m、2.7 m、1.1 m；側洞采用CRD法開挖。連拱隧道開挖順序見圖1。

圖1 連拱隧道開挖順序

2 數值模型建立

為研究連拱隧道中導洞法施工過程中隧道洞身及周邊地層動態響應特征，利用數值模擬軟件構建了如圖2所示的有限元模型。模型尺寸175 m×60 m×65 m，隧道至側部邊界圍巖寬度取3倍洞跨，至底部邊界取3倍洞高［10］，為提高模擬精度，對隧道周邊網格進行加密處理，最終模型被劃分為約6.9萬個單元。

圖2 連拱隧道數值模型

數值模型地層采用Mohr?Coulomb本構關系，支護結構采用線彈性本構關系，對地層和支護結構賦予的計算參數見表1。模擬過程中，模型底部邊界設置豎向位移約束，側面設置法向位移約束，上表面為自由面，計算荷載考慮圍巖自重。

表1 地層及支護結構物理力學參數表

3 動態響應特征分析

3.1 圍巖應力重分布狀態分析

圖3為中導洞開挖過程中隧道周邊圍巖應力重分布狀態。中導洞上臺階開挖，開挖卸荷作用導致原土體承受的地應力轉移至硐室兩側壁，隨中臺階和下臺階開挖，應力集中區域不斷向下延伸，但應力最大值僅由0.84 MPa增大至1 MPa，原因在于上臺階開挖已釋放一部分地應力，中下臺階開挖對周邊圍巖影響相對較小。圖3（d）顯示，中導洞貫通后應力集中區域主要分布在中導洞的兩豎直側壁處，最大值約1 MPa，隨距離側壁位置變遠，應力不斷降低。

左側洞CRD法開挖圍巖應力分布見圖4。左洞左上臺階的開挖導致應力集中區域向左側擴展，此時側洞左側接近拱腰處以及開挖上臺階與中導洞之間的區域均分布有較大的應力；左洞左下臺階開挖導致應力集中區域增大，側洞拱腰部位以及右上、右下臺階處均存在應力集中現象；左洞右上臺階開挖導致側洞圍巖喪失大部分承載能力，地應力明顯向中隔墻轉移，此時右上臺階掌子面、右下臺階以及中隔墻偏向左側洞方向均出現了最大應力，并隨右下臺階開挖圍巖應力增大繼續增大。本研究中，右側洞開挖圍巖應力變化規律與左側洞相似，隨右洞開挖中隔墻應力不斷增大。

圖4 左側洞CRD法開挖圍巖應力分布

圖5為隧道施工完成后周邊圍巖應力分布云圖。此時地應力主要由中隔墻及支護結構承擔，中隔墻上最大應力達到7.03 MPa，側洞拱腰及拱頂部位同樣存在應力集中，大小0.70～1.55 MPa。

圖5 隧道施工完成后周邊圍巖應力分布

（a）中導洞上臺階開挖；（b）中導洞中臺階開挖；（c）中導洞下臺階開挖；（d）中導洞開挖完成

3.2 支護結構應力分布

圖6為側洞開挖完成后支護結構的應力分布狀態，圖中表明側洞靠近中導洞的上下臺階部位均出現了拉應力，且上臺階初支結構受拉特征更為明顯，達到1.67 MPa。壓應力則主要集中在側洞遠離中導洞的上臺階部位，該部位的壓應力最大可達4.48 MPa。相比而言，側洞遠離中導洞的下臺階部位在支護結構中受力最小。

圖6 初支結構應力分布

3.3 中隔墻應力變化分析

作為連拱隧道的核心區域，中隔墻對于施工以及后期運營過程中連拱隧道的安全穩定具有重要作用，分析隧道施工不同環節中隔墻應力變化情況，可以有效防止不可逆轉的傾覆。為了獲取隧道施工過程中中隔墻應力變化規律，分別在洞口處中隔墻頂縱梁、中柱以及底縱梁布置測點，獲取側洞開挖階段中隔墻應力變化曲線如圖7所示。圖中橫坐標“施工階段”代表施工步，即每步長導洞開挖或支護結構施工即為一個施工階段。觀察發現，3條曲線形態相似，施工階段23～25和28～30應力增大明顯，原因在于這兩個階段分別對應左洞靠近中導洞上下臺階以及右洞靠近中導洞上下臺階的開挖，結合圍巖應力動態變化分析結果可知，這兩個階段側洞與中導洞臨空面連通，地應力被轉移至初支結構及中隔墻上，中隔墻應力增幅明顯，而在掌子面遠離監測面20 m后曲線保持水平，表明該處掌子面施工已對中隔墻無影響。圖中顯示，中隔墻底縱梁承受應力最大而頂縱梁承受應力最小，因此需要注意提高底縱梁施工質量，保證中隔墻承載能力。

圖7 中隔墻應力變化曲線

3.4 地表沉降規律

為研究淺埋連拱隧道中導洞法開挖過程地層動態響應特征，選取30 m處隧道斷面作為監測面，在其地表布置監測線并將隧道開挖過程中地表沉降數據繪制成如圖8所示的沉降曲線。沉降曲線呈正態分布，中導洞開挖至監測面時，中導洞軸線處沉降值最大，為1.61 mm；左洞開挖出現偏壓現象，地表沉降最大部位向左側洞偏移，左洞開挖至監測斷面時沉降最大值達到3.38 mm；右洞開挖對稱臨空面的出現逐漸消除偏壓現象，沉降最大部位再次轉移至隧道軸線處，沉降值為6.50 mm；隧道施工完成后地表最大沉降值為7.20 mm，沉降最大部位位于隧道軸線處，且隨地層遠離隧道軸線沉降值逐漸減小，在測點至隧道軸線距離大于25 m后地表幾乎不受隧道開挖影響。另外，由于側洞斷面尺寸大于中導洞，其對地表產生的影響更為顯著，中導洞開挖至監測斷面時沉降值增大了1.61 mm，而右洞開挖至監測斷面時沉降值增大了4.89 mm。側洞施工過程中應適當增大監測頻率。

圖8 地表沉降曲線

4 現場監測結果

為掌握連拱隧道暗挖施工對地表環境的影響并驗證模擬結果的可靠性，采用鉆孔方式在地面埋設沉降測點，測點間距5 m，隧道上方適當加密，對車站周邊70 m范圍地表沉降情況進行監測，地表沉降測點埋設示意見圖9。

圖9 地表沉降測點埋設示意（單位：mm）

根據實際工程進度，目前僅中導洞開挖至監測斷面，圖10為現場實際監測曲線與模擬曲線的對比。由于現場工程環境復雜，監測干擾因素多，且地層并非標準層狀分布，模擬沉降最大值1.61 mm，小于實際監測得到的2.65 mm，但模擬曲線較好地反映了地表沉降規律以及開挖影響范圍，故可以利用數值模擬手段獲取淺埋連拱隧道開挖過程中地表沉降規律，排查安全隱患，為暗挖施工提供指導意見。

圖10 現場實際監測曲線與模擬曲線

5 結 論

針對淺埋連拱隧道暗挖施工穩定性問題，以實際工程為依托，研究了隧道開挖過程中圍巖、支護結構、中隔墻等結構的應力分布情況以及地表沉降等指標的動態響應特征，獲得以下結論：

1）中導洞開挖過程中，上臺階開挖對圍巖應力影響較明顯，達0.84 MPa，隧道完成后地應力主要由中隔墻及支護結構承擔，中隔墻上最大應力達7.03 MPa，側洞拱腰及拱頂部位同樣存在應力集中，大小為0.70～1.55 MPa；側洞靠近中導洞的上臺階初支結構拉應力達1.67 MPa，側洞遠離中導洞的上臺階初支結構壓應力達4.48 MPa；側洞靠近中導洞側臺階開挖時中隔墻應力增幅明顯，掌子面遠離監測面20 m后施工已對中隔墻無影響，中隔墻底縱梁承受應力最大；左側洞開挖會出現偏壓現象，最終地表沉降最大部位位于隧道軸線處，沉降最大值為7.20 mm，沉降區域半徑約25 m。2）將現場監測數據與數值模擬結果對比，模擬沉降最大值小于實際監測值，但模擬曲線較好地反映了地表沉降規律以及開挖影響范圍。