基于礦山法的城市隧道工程的施工力學行為分析

雒東強

(蘭州鐵道設(shè)計院有限公司， 甘肅 蘭州　730000)

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基于礦山法的城市隧道工程的施工力學行為分析

雒東強

(蘭州鐵道設(shè)計院有限公司， 甘肅 蘭州730000)

礦山法俗稱淺埋暗挖法，具有施工形式靈活多變，所需專用設(shè)備少，對地面交通及居民生活干擾少的優(yōu)點，在城市隧道工程中應用廣泛，并取得了極大的社會經(jīng)濟效益。近年來，在城市隧道工程中，山嶺隧道建設(shè)極為普遍，主要采用新奧法理念進行鉆爆法實現(xiàn)。這種模式會伴隨一系列問題產(chǎn)生，對城市生活造成極大影響。為降低隧道施工風險，減少對城市地區(qū)的影響，以某隧道工程建設(shè)實踐為例，采用非線性有限元軟件ADINA，對基于礦山法的城市隧道工程的施工力學行為進行分析。實踐證明：基于礦山法的城市隧道工程，位于洞口處的施工圍巖，穩(wěn)定性較好，隧道下穿既有建筑物時，注漿加固可降低最大沉降值，從而增加上部建筑物的安全系數(shù)。

礦山法； 有限元軟件ADINA； 城市隧道工程； 施工力學行為

0　前言

礦山法是我國技術(shù)人員在新奧法基礎(chǔ)上，自主創(chuàng)新的具有中國特色的地鐵隧道施工方法。對于礦山法來講，主要優(yōu)勢在于不影響城市交通，同時也不伴隨著污染以及噪聲的存在，從適應性角度分析，適應各種尺寸和斷面形式的隧道洞室[1，2]。礦山法也被人們稱為淺埋暗挖法，在施工過程中主要遵循以“管超前”、“嚴注漿”等的18字原則。礦山法實現(xiàn)的基礎(chǔ)是土層在極短的開挖時間內(nèi)具有自穩(wěn)功能，主要利用土層的這一特性，進行初期支護，支護模式采用鋼拱架以及混凝土噴射結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式。以此為基點，進行洞室的二次襯砌，襯砌的主要模式為模筑混凝土，二次襯砌的結(jié)果則使圍巖與土層表面之間形成緊密貼服性的薄壁支護結(jié)構(gòu)[3]。在城市隧道建設(shè)過程中，山嶺隧道建設(shè)最為普遍，人們基于山嶺隧道建設(shè)，基于新奧法的礦山建設(shè)最為普遍。城市山嶺隧道又與普通山嶺隧道存在極大差別，最主要在于城市人口密集、建筑眾多，地下管線縱橫交錯，所以在進行具體的隧道施工中，由于施工所產(chǎn)生的噪聲、建筑物以及地下管線破壞則難以避免[4-6]。為有效提高隧道在施工過程中的安全系數(shù)，降低施工過程中對城市地區(qū)的干擾，對基于礦山法的城市隧道工程的施工力學行為進行分析極為重要。本文主要以某隧道工程建設(shè)實踐為例，采用非線性有限元軟件ADINA，對基于礦山法的城市隧道工程的施工力學行為進行分析。ADINA(非線性有限元軟件)具有較好的非線性處理功能，是由美國著名專家K.J.Bathe教授(美國麻省理工學院)領(lǐng)導研發(fā)，此外，ADINA也含有材料模式，是彈塑性以及粘彈性材料所含有的材料模式[7]。

1　基于礦山法的城市隧道建設(shè)

礦山法是我國技術(shù)人員在新奧法基礎(chǔ)上，自主創(chuàng)新的具有中國特色的地鐵隧道施工方法。礦山法實現(xiàn)的基礎(chǔ)是土層在極短的開挖時間內(nèi)具有自穩(wěn)功能，主要利用土層的這一特性，進行初期支護，支護模式采用鋼拱架以及混凝土噴射結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式。

1.1礦山法的主要原則及技術(shù)要點

對于礦山法來講，在進行隧道施工時要堅持以下原則： ①以圍巖的巖體力學特征為基礎(chǔ)，在保護圍巖的前提下，盡量減少對圍巖的干擾； ②以圍巖自身的承重為基礎(chǔ)，及時進行支護構(gòu)筑，盡量避免巖體在應力不利的前提下發(fā)生應變； ③軟弱圍巖，應盡量封閉支護結(jié)構(gòu)，使圍巖形成中空筒狀支撐結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)從力學上講穩(wěn)定。

基于礦山法的城市隧道施工過程中，需要遵循以“管超前”、“嚴注漿”等的18字原則。具體來講，在進行施工過程中，基于動態(tài)設(shè)計模式，并結(jié)合實際的信息化模式，建立整體的用于變?yōu)橐约皯Φ臋z測系統(tǒng)；當處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，利用小導管進行超前支護意義重大；對于地層的加固主要采用劈裂注漿的模式；襯砌屬于復合式技術(shù)，可以結(jié)合鋼筋網(wǎng)構(gòu)拱架進行支護。

1.2隧道開挖方法

在城市隧道工程施工建設(shè)中，合理的開挖模式對于隧道東城的順利實施及其重要。施工方法應依據(jù)具體情況具體實施。現(xiàn)今，在進行隧道開挖過程中，主要有3種方法，即：雙側(cè)壁導坑法、臺階法、CD法(中隔墻法)。3種隧道開挖方式的選擇依據(jù)為開挖斷面的寬度，當其超過10 m時，優(yōu)先選擇中隔墻法；當其低于10 m時，應優(yōu)先選擇正臺階法進行，特殊條件下選用雙側(cè)壁導洞法[8-10]。

臺階法[8]施工靈活，適應性較強，施工空間相對充足，施工效率高，不同部分之間幾乎不存在擾動。對于臺階法隧道工程施工來講，重點在于科學安排施工工序。

中隔墻法[9]既可以應用在巖性較差的地層中，也可以應用在巖體不穩(wěn)定但需要對沉降進行控制的地層中。在進行中隔墻法施工過程中，首先要在隧道一側(cè)進行開挖，一段距離之后，對另一層進行開挖，其中先開挖測作為中隔墻使用。對于CD法，在進行局部開挖時，主要以臺階法為主，然而需要注意的是，在進行開挖時，必須對臺階長度進行嚴格控制，一般控制在5～7 m范圍內(nèi)，且在進行施工時一般與超前小導管注漿等聯(lián)合使用。通常條件下，CD法無法滿足施工需求，便可以通過在CD法基礎(chǔ)上添加橫撐的方式進行改善，此種方式為CRD法(交叉中隔墻法)。不同于其他開挖方式，在整體施工中，中隔墻法剛度較大，因此對于隧道結(jié)構(gòu)的形狀可以有效控制，對于地表的沉降也可以有效控制，但該開挖方法分塊多，施工程序復雜，效率低。

雙側(cè)壁導洞法[10]俗稱眼鏡工法，第一步需要進行隧道兩側(cè)的開挖，使隧道劃分為3個截面，然后對剩余部分開挖。對于導洞來講，在進行開挖時，要按照臺階法進行，但在開挖時必須實施初期支護，然而該施工方法施工繁雜，且具有較高的成本，并且進度極慢。主要應用在大斷面軟弱圍巖部分。

1.3ADINA簡介

ADINA(非線性有限元軟件)具有較好的非線性處理功能，是由美國著名專家K.J.Bathe教授(美國麻省理工學院)領(lǐng)導研發(fā)，此外，ADINA也含有彈塑性材料、粘彈性材料所含有的材料模式[7]。基于隧道施工的ADINA模擬包括：

① 設(shè)定相關(guān)初始值。為有效分析隧道施工受開挖的影響，需要對地層的水平以及豎直應力的分布進行確定，并對巖體的地應力的初始值進行確定，目的在于排除初始荷載的影響。其中初始條件設(shè)置的關(guān)鍵位本構(gòu)模型的選取，即選取的本構(gòu)模型必須滿足巖土體的特性。

② 等效模擬錨噴支護。礦山法采用鋼拱架為主，輔以混凝土噴射結(jié)構(gòu)的支護模式。支護效果的計算采用等效模式，主要按照鋼拱架彈性模量的方式進行等效。具體的折算公式如下所示：

(1)

式中：E為等效后所得的混凝土彈性模量；E0為彈性模量的初始值；SS為鋼拱架的截面積大小；ES則代表鋼拱架的彈性模量值；Sh為混凝土的橫截面積。

③ 依據(jù)單元生死模式模擬連續(xù)開挖和支護施工，該模擬功能是由ADINA提供。單元生功能在具體開挖施工時，對初期支護以及二襯支護進行模擬；單元死功能在具體開挖施工時主要通過實踐控制進行模擬。開挖圍巖過程中，應力釋放主要實現(xiàn)模式為設(shè)置過度時間，對單元的生死進行控制。

2　基于礦山法的城市隧道工程的施工力學行為

本章結(jié)合具體建設(shè)實例，對城市隧道工程的特殊地段選取典型斷面進行ADINA模擬，分析基于礦山法的城市隧道工程的施工力學行為。

2.1隧道洞口段

該洞口段利用以凝灰?guī)r殘積亞粘土為基礎(chǔ)的工程南段部分，對該部分來講，覆蓋為4～12 m厚的土層，其中主要采用V級綜合模式對圍巖劃分。隧道工程的襯砌則以復合式為主，初期支護采用I18鋼拱架(間距為50 cm)與C25噴射混凝土相結(jié)合模式，結(jié)構(gòu)厚道在250 mm。二次襯砌則主要利用C30混凝土結(jié)構(gòu)，對于施工方法的選擇則以CRD法為主。

① 計算模型。

模型選用ADNIA二維平面進行創(chuàng)建，地質(zhì)圍巖則選擇摩爾庫倫模型(M-C型)進行模型構(gòu)建。在構(gòu)建過程中，需要注意，在忽略由于剪切產(chǎn)生的膨脹效應基礎(chǔ)上，把支護結(jié)構(gòu)看作線彈性材料，且具有各向同性。M-C模型則以非關(guān)聯(lián)流動性原理為基礎(chǔ)，對彈塑性模型進行構(gòu)建。在具體構(gòu)建時，需要利用剪應力基礎(chǔ)，并采用材料平面的屈服條件。

對于屈服條件來講，其自變量選用剪應力，對于剪應力超過某一值，則可看作材料平面為屈服狀態(tài)。剪應力屈服條件表達式為：

τ=-σtanφ+C

(2)

式中：C為材料所具有的粘聚力；φ為材料所具有的內(nèi)摩擦角；τ為抗剪的極限強度；σ為剪切面所具有的法向正應力。

當采用主應力形式進行表達時，如下所示：

(3)

式中：σ1為第一主應力；σ3為第三主應力。

② 幾何模型。

對于整個模型來講，其計算范圍則是選用隧道截面作為參考點，取左右洞經(jīng)的5倍范圍，并向下取洞經(jīng)的3倍范圍，上邊視作自由界面。覆土層模型則主要依據(jù)工程埋深進行構(gòu)建，厚度分別建立在4，8，12 m，每一模型的尺寸大小分別為132 m×46 m，132 m×50 m，132 m×54 m。網(wǎng)格主要基于四節(jié)點為單元進行模型劃分，結(jié)果如圖1所示。

圖1　模型的網(wǎng)格劃分顯示圖

③ 初始應力場以及邊界條件。

模型的邊界條件主要基于位移原則，也就是說，模型的側(cè)面主要基于水平位移限制；對于模型底部，則主要采用豎直方式進行位移控制；對于模型上部，則將起作為自由界面方式進行。對于初始應力場，主要利用地應力方式，依據(jù)ADINA相關(guān)法則對應力場進行初始，并排除荷載作用的影響。

④ 模型材料參數(shù)。

在進行具體施工時，需要針對開挖施工進行加固處理，具體加固模式采用注漿形式，模型的處理則主要基于均一化方式進行，處理方式依據(jù)強度進行，表1所示為模型材料相關(guān)的計算參數(shù)。

⑤ 計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。

通過計算可知，開挖之后的變形值如表2所示。

由表2可知：開挖完成后，豎直位置的最大沉降值為拱頂，且淺埋條件下，隨覆土層厚度的增加，變形值逐漸變大。主要原因在于在淺埋條件下，拱效應還沒有完成形成，當增加覆土層厚度條件下，覆荷載會增加，從而使得變形增大。隨著覆蓋層的降低，沉降量不斷下降，但在具體應用過程中，隨著覆蓋層的降低，施工干擾便越小，因此，在進行具體施工時，要盡可能排除對周圍的擾動情況。對于拱頂沉降較大部分，由于易坍塌，因此在具體施工時，要盡量多的減少拱頂沉降量。

表1 模型材料相關(guān)參數(shù)Table1 Parametersofmodelmaterials類型ρ/(kg·m-3)E/GPaμc/MPaφ圍巖20000.250.40.2921初期支護220028.20.24二次襯砌2551300.3

表2 開挖引起的變形值Table2 Deformationofexcavation位置覆土層厚度/m4812最大拱頂沉降9.7411.1714.46最大地表沉降8.398.429.19

圖2表示覆土層厚度改變，便產(chǎn)生不同的拱頂沉降量以及產(chǎn)生不同的施工步沉降量。由分析可知，產(chǎn)生沉降的主要原因在于對左上以及右上導洞開挖引起。為了減少在開挖過程中所產(chǎn)生的導洞沉降值，主要通過降低開挖尺度的方式，降低圍巖的干擾情況；此外，在具體施工時，通過將導洞結(jié)成環(huán)方式，確保接頭的可靠鏈接。

圖3所示為厚度為4、8，12 m的覆土層厚度的豎直位移變形云圖。

圖2　拱頂沉降值隨施工步的變化曲線圖Figure 2　　　　Vault settlement value varies with changes of construction step

圖3　隧道開挖后的基于覆蓋層的豎直位移圖

Figure 3Vertical displacement map of overlay generating after the completion of the tunnel excavation

由上圖可知：覆土層在8 m厚處，其拱頂沉降值最大，沉降值大小為11.17 m，同地表沉降值相比要大，在云圖相關(guān)位置，向上擴散，數(shù)值不斷降低，這主要由于圍巖自身承重，使得地層在損失過程中，拱頂沉降并向上擴散。表2所示，對于拱頂沉降量全部超過地表沉降的覆土層厚度，當覆土層厚度逐漸增加時，地表沉降也增加，這主要由于覆土層厚度的提高，促進壓力拱的形成。拱效應與開挖跨度密切相關(guān)，為減少分步開挖所產(chǎn)生的跨度，可以以導洞模式，基于圍巖自身承載，使沉降值降低。且由計算結(jié)果可知，對于拱腳，其收斂值要低于1 mm，同拱頂收斂相比較，拱頂沉降的值更大。因此，拱腳收斂較小主要在于隧道埋深較淺，且隧道土層壓力低的緣故。在施工過程中，其主要目標則在于控制豎向變形。

通過對該隧道洞口淺埋段進行ADINA分析可知：在淺埋條件下，圍巖變形量隨覆土層厚度的增加而增大，且自拱頂向上進行變形傳遞，在具體傳遞過程，要使圍巖盡可能發(fā)揮自身承重。變形的產(chǎn)生同開挖上部導洞，特別是右上導洞處密切聯(lián)系。在進行具體施工時，不可避免會遇到軟弱圍巖，為降低變形量，可以通過減少開挖尺寸方式進行控制。

2.2下穿房屋段

下穿房屋段主要選用YK1+170～260地段的一號樓(9F)和五號樓(8F)為例進行分析，分析手段采用ADINA。在進行具體分析時，要考慮2種情況即：無建筑與有建筑。

① 計算模型。

模型選用ADNIA二維平面進行創(chuàng)建，地質(zhì)圍巖則選擇摩爾庫倫模型(M-C型)進行模型構(gòu)建。在構(gòu)建過程中，需要注意，在忽略由于剪切產(chǎn)生的膨脹效應基礎(chǔ)上，把支護結(jié)構(gòu)看作線彈性材料，且具有各向同性。對于圍巖以及支護結(jié)構(gòu)的模型構(gòu)建，主要基于ADINA所提供的二維平面應變進行。

② 幾何模型。

對于整個模型來講，計算范圍選用隧道截面作為參考點，并取洞徑大小的5倍的左右位置，取隧道截面的3倍洞徑的下部位置進行開挖。開挖的上邊界為自由面，尺寸選用132 m×54 m。網(wǎng)格主要基于四節(jié)點為單元進行模型劃分，結(jié)果如圖4所示。

圖4　模型網(wǎng)格劃分結(jié)果圖

③ 初始應力場及邊界條件。

模型的邊界條件主要基于位移原則，也就是說，模型的側(cè)面主要基于水平位移限制；對于模型底部，則主要采用豎直方式進行位移控制；對于模型上部，則將起作為自由界面方式進行。對于初始應力場，主要利用地應力方式，依據(jù)ADINA相關(guān)法則對應力場進行初始，并排除荷載作用的影響。在進行分析，要把荷載作為均勻分布處理，計算分析的參考值為房屋的荷載標準值以及樓面活荷載的標準值。由計算可得：Q=1 011.7 kN/m。為處理由于荷載產(chǎn)生的巖體變形，可以重啟ADINA方式進行處理。

④ 材料參數(shù)。

依據(jù)地質(zhì)材料，下穿隧道區(qū)域之下包括2種巖土體：凝灰?guī)r殘積亞粘土和微風化凝灰?guī)r，基礎(chǔ)下部的加固采用注漿以及管棚的模式。初期支護采用I22a的鋼拱架以及C25噴射混凝土結(jié)合而成，對圍巖來講，其抗拉強度取0.2C，如表3所示，為模型材料的計算參數(shù)。

⑤ 計算結(jié)果及其分析。

模擬結(jié)果主要分為3種情況，即：無建筑荷載情況、有建筑荷載情況、有建筑荷載前提下注漿加固。如圖5所示為3種情況的豎向位移云圖。

表3 模型材料參數(shù)Table3 Parametersofmodelmaterials類型μρ/(kg·m-3)E/GPac/MPaφ凝灰?guī)r殘積亞粘土0.520000.240.2820微風化凝灰?guī)r0.226533.50.360注漿加固區(qū)0.320000.750.4221初期支護0.24220028.2二次襯砌0.3255130

(a) 無建筑荷載

(b) 有建筑荷載

(c) 有建筑荷載前提下注漿加固

通過分析圖5可得：在存在建筑荷載條件下，對隧道上方開挖，其變形逐漸變大，沉降值逐漸增大，由14.04～66.75 mm范圍波動。底部由于受到上部荷載影響，開挖后具有極為明顯的回彈作用，從14.73 mm變成40.57 mm。在注漿作用下，拱頂?shù)某两抵禍p少，由66.675 mm變成43.52 mm，因此注漿作用可很好的防止上部圍巖變形。

對于下穿既有建筑物需要著重考慮地表沉降，地表沉降直接決定的建筑結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，如圖6～圖8所示為基于3種模式下的地表沉降曲線。

從上圖可知：地表的最大沉降量從9 mm增加到42 mm，主要原因在于受上部建筑荷載的影響較為顯著。對比分析可以獲得：隧道開挖的主要影響因素為正上方的建筑物，對于右側(cè)房屋基本不改變。采用注漿模式，可以極大限度的降低地表的最大沉降量，下降可達到22 mm，但會引起沉降槽寬度的提

圖6　無建筑荷載前提下的地表沉降曲線圖Figure 6　　　　Surface subsidence curve under no load building premise

圖7　有建筑荷載前提下的地表沉降曲線圖Figure 7　　　　Surface subsidence curve under load building premise

圖8　有建筑荷載且注漿加固前提下的地表沉降曲線圖Figure 8　　　　Surface subsidence curve under load building and grouting

高，導致在遠處部分，沉降值大。主要原因在于隧道上部，在進行巖體加固后，房屋荷載會對兩側(cè)的巖土體進行傳遞，因此承載分散。

3　結(jié)語

本文主要是利用非線性有限元軟件ADINA，對基于礦山法的城市隧道工程的施工力學行為進行分析。通過對工程的2個特殊地段的分析，可以知道：隧道洞口淺埋段，圍巖穩(wěn)定的與覆土層厚度有緊密聯(lián)系，與施工過程匯總引起的變形也關(guān)系密切，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量驗證，與實際情況吻合。通過分析下穿既有建筑物可知：采用注漿加固模式，可以極大限度的減少沉降值，增加建筑的安全系數(shù)。

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Analysis of Construction Mechanical Behavior of City Tunnel Project Based on Mine Tunnelling Method

LUO Dongqiang

(Lanzhou Railway Survey and Design Institute Co.， LTD， Lanzhou， Gansu 730000， China)

Mine Tunnelling Method is also called shallow excavation method.Due to flexible，less equipment required for ground transportation and living less interference，mine tunnelling method is widely used in urban tunnel project and makes great social and economic benefits.Nowadays，in the city tunnel project，the mountain tunnel construction is widespread，mainly to achieve through drilling and blasting method based on NATM method.This model will be accompanied by a series of problems，caused great impact on city life.To reduce the risk of tunnel construction，and reduce the impact on urban areas，the paper mainly to the construction of a tunnel as example，using nonlinear finite element software ADINA，to analyze the construction mechanical behavior of city tunnel project based on mine tunnelling method.The results show that：the portal construction of the wall rock tunnel project has good stability，wear tunnel under existing buildings，grouting can reduce the maximum settlement value，thereby increasing the upper part’s safety factor of the building.

mine tunnelling method； finite element software ADINA； city tunnel project； construction mechanical behavior

2016 — 05 — 17

雒東強(1981 — )，男，甘肅靖遠人，工程師，從事鐵路隧道設(shè)計與研究。

U 455.4

A

1674 — 0610(2016)04 — 0171 — 05