變截面隧道圍巖失穩(wěn)力學(xué)機理研究

鄭愛元

摘 要：隨著城市地下空間的發(fā)展，地鐵逐漸成為了人民出行的主要交通工具，但地下工程的環(huán)境非常復(fù)雜，對于大跨淺埋隧道更是復(fù)雜。淺埋地鐵隧道工程下穿地上建筑物，會使圍巖失穩(wěn)和地表發(fā)生沉降。為此，本文依托深圳地鐵7號線工程，對下穿地鐵的圍巖展開研究，通過數(shù)值計算分析，分析了圍巖的破壞機理，總結(jié)了隧道應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律。研究表明：（1） 當(dāng)截面從大斷面變?yōu)樾嗝鏁r，地表沉降量顯著減小。隨著隧道截面由小變大，地表沉降量不斷變大，最后形成近似馬鞍形形狀的地表沉降趨勢;（2）當(dāng)附近土體開挖時，隧道拱腰位置的圍巖應(yīng)力會顯著提升，中間巖柱處存在較大的應(yīng)力釋放。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道群;圍巖失穩(wěn);大跨度;數(shù)值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.054

1 引言

隨著城市地下空間的發(fā)展，在大城市中，地面交通變得越來越擁堵，另外，地面交通的存在的諸如噪音、遮擋陽光、占用大量土地資源等缺點日趨嚴峻，但地下空間環(huán)境復(fù)雜，施工難度大，存在較多的不穩(wěn)定性因素，因此，本文依托深圳地鐵7號線工程，對下穿地鐵的圍巖展開研究。

目前，目前，在國外，NA DO，D Dias and P Oreste[7～9]圍巖失穩(wěn)機理展開分析研究，在國內(nèi)，吉小明、譚文[1]研究了地鐵車站變形控制措施。王暖堂、陳瑞陽等[2]總結(jié)了富水地區(qū)的下穿隧道施工工法。曾宗強[3]進行了淺埋隧道三維模擬，分析了隧道圍巖變形規(guī)律。姚明會[4]研究了地鐵隧道的巖土體施工力學(xué)機理。胡晗[5]利用數(shù)值計算分析方法對隧道開挖過程中支護參數(shù)進行模擬。吉小明、譚文等[6]提出了地鐵隧道開挖前的加固措施。

本次數(shù)值模擬計算，依托現(xiàn)有工程，對不同施工工序進行對比分析，旨在指導(dǎo)后續(xù)施工。

2 工程概況

本文依托的深圳地鐵7號線工程，全長30.173公里。工程采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，7號線沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，附近既有建筑物和構(gòu)筑物比較多，施工難度比較大。施工場地的土質(zhì)多為碎石、塊石和人工填土，土質(zhì)相對不均勻，極易引起隧道倒塌。另外，在人工填土層下方分布不穩(wěn)定的花崗巖和風(fēng)化巖，土質(zhì)不穩(wěn)定，極容易發(fā)生沉陷坍塌等不良地質(zhì)災(zāi)害，施工難度大。

3 數(shù)值計算模型

采用三維數(shù)值模型。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，初步建立三層理想土層，建立圖2所示土層三層土質(zhì)依次為素填土、全風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖。隧道分步依次開挖，開挖順序如圖2所示。為了避免數(shù)值計算受到邊界條件的影響，模型的尺寸定為128m×78m×90m，三維模型圖如圖2所示。

4 數(shù)值計算分析方法

數(shù)值計算步驟如下：（1）邊界條件：除模型上邊界為自由面，其余各個面都施加法向約束。（2）開挖方法：采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，一次開挖5m，設(shè)置六個分析步。（3）施加重力，重力加速度為10m/s2。

各層土的計算參數(shù)如表1所示。

5 可靠性驗證

為了本次驗證實驗的準確性和可靠性，將數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)與Peck公式、組合梁簡化模型計算方法的標準數(shù)據(jù)進行對比，如圖6所示。從圖6中可以分析出，數(shù)值模擬結(jié)果與Peck公式、組合梁理論公式數(shù)據(jù)趨勢大致相同，僅僅在距離大小截面較遠處出現(xiàn)相對較大不同，根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果繪制出的曲線可以得知，地表沉降一直呈現(xiàn)出隆起形式，由于組合梁理論模型約束了遠端的位移，所以只有一小部分出現(xiàn)了地表隆起。本次實驗驗證了數(shù)值模擬的可靠性。

另外，通過三個曲線可以看出，數(shù)值模擬曲線最大值向大斷面隧道一側(cè)靠攏，在隧道兩側(cè)，曲線的斜率呈現(xiàn)出增大趨勢。由此可以得出結(jié)論，本文所設(shè)計的數(shù)值模擬是具有可靠性的。

6 數(shù)值計算結(jié)果分析

6.1 地表沉降分析

為了進一步研究地表沉降趨勢，通過模擬計算得到三維地表沉降圖，如圖7所示。從圖7可以看出，在同一斷面上，地鐵隧道群一直只有一個沉降槽。當(dāng)隧道的截面從大變小時，地表沉降量顯著變小;當(dāng)隧道的截面從小變大時，地表沉降量顯著增大。最終形成馬鞍形的地表沉降。

6.2 圍巖應(yīng)力場分析

為了對圍巖應(yīng)力作做進一步的研究，在整個開挖過程中，提取多個分析步的圍巖應(yīng)力進行分析，各個分析步的圍巖應(yīng)力如圖8所示。從圖8中可以看分析出，第1分析步開挖后，隧道底部出現(xiàn)較小的應(yīng)力，這是由于沒有支護措施，開挖后截面底部應(yīng)力得到釋放;第1分析步開挖后，相比較同深度下其他點的應(yīng)力，隧道截面頂部的應(yīng)力較小，但應(yīng)力值并不為零，可以看出該處應(yīng)力得到一定程度的釋放;第五分析步的圍巖應(yīng)力狀況與第一分析步大致相同。第11分析步開挖后，大斷面隧道拱頂大部分區(qū)域存在應(yīng)力釋放現(xiàn)象。第17和25開挖分析的隧道應(yīng)力情況與第11步大致相同，在臨空掌子面一定區(qū)域也存在應(yīng)力釋放現(xiàn)象。在第27分析步開挖后，小斷面隧道拱頂區(qū)域存在應(yīng)力釋放現(xiàn)象，兩種截面的隧道中間柱子處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在第72分析步開挖后，在小斷面隧道拱腰位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在靠近大斷面隧道，拱腳出現(xiàn)應(yīng)力集中，而對于大斷面隧道而言，隧道拱腳區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在靠近小斷面隧道，相比較大斷面應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在比較靠上區(qū)域，這解釋了大小截面相互作用的現(xiàn)象。

7 結(jié)論

本文依托深圳地鐵7號線工程，對下穿地鐵的圍巖展開研究，通過數(shù)值計算分析，分析了圍巖的破壞機理，總結(jié)了隧道應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律。得到了以下結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)與Peck公式、組合梁簡化模型計算方法的標準數(shù)據(jù)進行對比，三條曲線走勢大致相同，證明了本次實驗的可靠性。

（2）在同一斷面上，地鐵隧道群一直只有一個沉降槽。當(dāng)隧道的截面從大變小時，地表沉降量顯著變小;當(dāng)隧道的截面從小變大時，地表沉降量顯著增大。最終馬鞍形的地表沉降。

（3）隨著開挖不斷進行，隧道拱腰的圍巖應(yīng)力不斷增大，中間巖柱的厚度與應(yīng)力釋放率成反比，大斷面應(yīng)力釋放程度更高。

參考文獻：

[1]吉小明，譚文.淺埋暗挖大跨隧道中的施工力學(xué)原理與施工技術(shù)研究[J].隧道建設(shè)，2010（s1）：94-99.

[2]王暖堂，陳瑞陽，謝菁.城市地鐵復(fù)雜洞群淺埋暗挖法施工技術(shù)[J].巖土力學(xué)，2002，23（02）：208-212.

[3]曾宗強.地鐵大跨度淺埋暗挖隧道施工力學(xué)及安全性分析[D].西南交通大學(xué)，2009.

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