小凈距礦山法、盾構(gòu)隧道施工的數(shù)值模擬分析

石祥鋒，寇鼎濤

(1.華北科技學(xué)院，北京東燕郊 101601;2.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100037)

0 引言

地鐵區(qū)間站前附屬線經(jīng)常采取小凈距礦山法、盾構(gòu)隧道方案，相比常規(guī)地鐵隧道，這種方案礦山法隧道斷面型式較多，跨度較大，且和盾構(gòu)隧道距離較近，因此隧道施工時相互影響較大，施工風(fēng)險(xiǎn)也較大［1～4］，設(shè)計(jì)和施工這類工程時都非常慎重。目前，國內(nèi)外對此類隧道工程及公路、鐵路行業(yè)小凈距隧道工程的研究較多，取得很多成果和經(jīng)驗(yàn)［5～9］，但對于具體工程，由于工程自身的結(jié)構(gòu)如隧道間距離、斷面、襯砌等不同，加之工程所處的工程地質(zhì)條件、施工采取的方法、施工工序等不同，每個這樣的隧道施工過程都具有特殊性。本文應(yīng)用FLAC3D有限差分程序?qū)δ乘淼拦こ痰奈灰萍笆芰顟B(tài)變化進(jìn)行了三維有限元計(jì)算，分析了其穩(wěn)定性，得到了一些有益的結(jié)論，可為工程施工方案和施工組織提供參考。

1 工程概況

新建礦山法、盾構(gòu)隧道臨近工程為西安地鐵3號線科技路站～太白南路站區(qū)間。擬在太白南路站前右線設(shè)置停車線和渡線，采用礦山法施工，左線隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道埋深約7 m。右線隧道分為三個典型斷面:B1、B2和B3斷面，其中B1型斷面隧道長50m，B2型斷面隧道長23m，B3型斷面隧道長19.344 m。左線隧道為標(biāo)準(zhǔn)斷面，斷面支護(hù)參數(shù)見表1，斷面空間位置見圖1。由于兩隧道間相距較近，盾構(gòu)隧道與礦山法隧道的三個典型斷面的距離分別為4.425 m、3.14 m、0.775 m，礦山法隧道斷面較大，跨度均超過10 m，最大斷面跨度超過14 m，且隧道埋深較淺，工程施工風(fēng)險(xiǎn)較大。擬建場地的土層主要為:素填土、黃土狀土、粉質(zhì)粘土、粉土、細(xì)砂、中砂、粗砂。隧道洞身范圍內(nèi)地層主要粗砂、中砂。

表1 隧道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

2 計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

本計(jì)算采用FLAC3D有限差分軟件建立計(jì)算模型，模型沿隧道軸向取92.344m，深度方向從地面向下取34m，跨度方向取80m，礦山法隧道一側(cè)向外取20m，盾構(gòu)法隧道一側(cè)向外取38m。模型共劃分168482個實(shí)體單元，174856個節(jié)點(diǎn)，隧道結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分見圖1。不同的土層采用不同的材料參數(shù)模擬，土體采用摩爾-庫侖彈塑性本構(gòu)模型，隧道結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型。邊界條件的選取:模型側(cè)面和底面為位移邊界，模型頂面取為自由邊界，底面采用固定約束，側(cè)面采用法向約束。

2.2 材料物理力學(xué)參數(shù)的選取

由于評估范圍內(nèi)地層變化客觀存在，對性質(zhì)相近的土體進(jìn)行了有效合并。本評估范圍內(nèi)土層主要有素填土、黃土狀土、中砂、粗砂和粉質(zhì)黏土，根據(jù)勘察報(bào)告中提供的參數(shù)做出一定的折減，具體計(jì)算參數(shù)見表2，表3為隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)表。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)三維有限元網(wǎng)格劃分

表2 土層參數(shù)表

表3 隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)表

3 施工過程模擬及結(jié)果分析

3.1 計(jì)算荷載和模擬過程

計(jì)算荷載考慮隧道結(jié)構(gòu)自重、土體豎向自重及地表均布超載20kPa等。施工過程模擬時，進(jìn)行了簡化處理。對于大斷面礦山法隧道，一般采取分部開挖方案，為簡化計(jì)算，擬采用全斷面法一次開挖成洞，施作初期支護(hù)和襯砌。在本模型計(jì)算過程中，選取關(guān)鍵工況進(jìn)行分步開挖，以便對施工過程中礦山法隧道結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力進(jìn)行分析。

分為五個施工工況，計(jì)算模擬工序?yàn)?第一步，右線B3斷面礦山法隧道，開挖及施作初期支護(hù)一次完成;第二步，右線B2斷面礦山法隧道，開挖及施作初期支護(hù)一次完成;第三步，右線B1斷面礦山法隧道，開挖及施作初期支護(hù);第四步，右線礦山法隧道施作二次襯砌;第五步，盾構(gòu)隧道施工。

3.2 地表沉降分析

圖2 斷面地表沉降曲線圖

圖2為隧道典型斷面的地表沉降曲線圖，選取右線隧道初支完成、二襯完成以及左線盾構(gòu)隧道貫通三個關(guān)鍵工序。其中橫坐標(biāo)為地表坐標(biāo)，單位為米，豎坐標(biāo)為地表沉降，單位為毫米。

從圖中看出，該工程地表沉降范圍主要集中在距離兩隧道中軸線20 m寬度范圍內(nèi)，在該寬度范圍內(nèi)，地面沉降隨著工程施工增大。右線隧道初支貫通后，B3、B2及B1斷面地表最大沉降分別為29.61 mm、22.32 mm、16.31 mm，三個斷面的最大沉降位置均出現(xiàn)在礦山法隧道拱頂對應(yīng)的地表處;右線隧道二襯貫通后，三個斷面的最大沉降與初襯貫通時相比，最大沉降位置沒有發(fā)生變化，但地表沉降繼續(xù)增大，增加到35.54 mm、26.78 mm、19.57 mm，分別增加了20.0%、20.4%和19.9%，可見圍巖地層在隧道開挖和施工初支時發(fā)生了大部分沉降，在施工二襯時地層還沒有完全穩(wěn)定，繼續(xù)發(fā)生沉降，因此為控制地層沉降，施工二襯時要快速施工，縮短地層沉降時間。

左線盾構(gòu)隧道施工完成后，由于兩線隧道距離較近，B3、B2及B1三個斷面的最大沉降與右線隧道二襯貫通時相比，地表沉降繼續(xù)增大，分別為42.34 mm、33.41 mm、26.37 mm，增加了 21.9%、24.7%和34.7%，且最大沉降位置均從右線隧道的拱頂轉(zhuǎn)移到兩線隧道之間對應(yīng)的地表處。這表明左線隧道施工對右線隧道及圍巖地層影響較大，圍巖地層繼續(xù)沉降變形，右線隧道結(jié)構(gòu)將承受更大圍壓。因此施工該工程前應(yīng)對整個場地地層特別是兩隧道間的土層進(jìn)行加固，提高場地地層的力學(xué)參數(shù)，降低隧道間施工的相互影響。

3.3 隧道結(jié)構(gòu)變形分析

隧道結(jié)構(gòu)變形主要考察拱頂、拱腰處位移的變化規(guī)律。左線隧道施工完成后，右線隧道二襯沒有完全穩(wěn)定，其變形繼續(xù)增加。表4為右線隧道二襯拱頂、拱腰的位移變化表，從表4可看出，B3、B2、和B1斷面的二襯拱頂沉降值與右線隧道二襯貫通時相比，分別增加了 16.37 mm、11.57 mm、7.54 mm;右線隧道左拱腰向左線方向變形，三個斷面的二襯左拱腰水平位移分別增加了10.55 mm、8.56 mm、5.57 mm;右線隧道右拱腰向洞內(nèi)收斂，與右線隧道二襯貫通時相比，三個斷面的二襯右拱腰水平位移分別增加了6.23 mm、5.24 mm、4.34 mm。說明左線隧道開挖和施工襯砌不僅影響到右線隧道圍巖地層，還通過圍巖地層影響到右線隧道的襯砌，使襯砌發(fā)生變形，造成隧道拱頂沉降、水平斂收。

表4 二襯關(guān)鍵點(diǎn)變形值

3.4 隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要考察最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力的變化。受左線隧道施工的影響，右線隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)不斷發(fā)生變化，左線隧道施工完成后，右線隧道二襯最大拉應(yīng)力出現(xiàn)減小現(xiàn)象，但最大壓應(yīng)力繼續(xù)增大，襯砌結(jié)構(gòu)受力更加不利。右線隧道B3、B2、B1斷面的二襯最大應(yīng)力變化值如表5所示。

表5 二襯應(yīng)力變化值

從表5可看出，盾構(gòu)隧道施工完成后，由于對地層的擾動，導(dǎo)致礦山法隧道二襯拉應(yīng)力減小，B3、B2及B1三個斷面的二襯最大拉應(yīng)力與礦山法隧道二襯貫通時相比，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)位置沒有變化，均出現(xiàn)在二襯拱頂，量值分別減小了0.02 MPa、0.03 MPa、0.43 MPa;礦山法隧道二襯壓應(yīng)力也發(fā)生變化，三個斷面的二襯最大壓應(yīng)力與礦山法隧道二襯貫通時相比，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)位置沒有變化，均出現(xiàn)在二襯右拱腰處，B3、B2及B1斷面最大壓應(yīng)力值分別增大了0.66 MPa、0.65 MPa和0.08 MPa。說明盾構(gòu)隧道臨近施工時，對礦山法隧道二襯受力狀態(tài)有影響，典型位置右拱腰最大壓應(yīng)力繼續(xù)增加，受力更加不利，設(shè)計(jì)和施工時應(yīng)給予充分考慮。

4 結(jié)論

通過對大跨度礦山法隧道和盾構(gòu)隧道臨近施工過程的模擬計(jì)算，在礦山法隧道先行施工的條件下，分析了隧道地表沉降變形、隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形等，得出如下結(jié)論:

1)近距離隧道工程施工條件下，后建隧道對先建隧道影響較大。后建隧道不僅使先建隧道圍巖地層繼續(xù)發(fā)生沉降變形，局部沉降變形幅度超過30%，還造成先建隧道的襯砌變形、壓應(yīng)力和拉應(yīng)力不斷變化，說明其安全性和穩(wěn)定性受到不小影響。

2)為控制隧道施工時的地層沉降以及減小隧道間的施工影響，應(yīng)對后建隧道周邊地層進(jìn)行系統(tǒng)加固，尤其是兩線隧道之間的土體應(yīng)保證加固效果;建立監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，在左線隧道施工時，應(yīng)對地表及右線隧道結(jié)構(gòu)實(shí)施監(jiān)測，及時反饋信息，及時進(jìn)行跟蹤注漿或補(bǔ)充注漿，做到信息化施。

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