新意法與淺埋暗挖法施工隧道力學效應的對比分析

蔡東明

(北京市市政工程設計研究總院有限公司 100082)

引言

新意法(ADECO-RS)與淺埋暗挖法最大的區(qū)別就在于對地層變形反應的分析方式和控制方式不同[1]。 淺埋暗挖法對地層變形反應的分析僅限于掌子面的后方， 僅對洞周收斂和地表沉降進行分析； 新意法則不僅對掌子面后方的地層變形反應(收斂)進行分析， 而且更注重對掌子面及掌子面前方地層的變形反應(掌子面擠出變形和預收斂)進行分析。 兩種方法對地層變形反應的控制方式也不同: 淺埋暗挖法重視前方輪廓的預加固， 調(diào)動掌子面部分圍巖自承能力， 給掌子面后方的圍巖施加徑向約束， 為被動控制變形方法；新意法則提出了保護超前核心圍巖， 充分調(diào)動和發(fā)揮超前核心圍巖的自承能力， 通過加固掌子面超前核心土體， 提高其剛度和強度， 對掌子面前方的土體提供超前約束作用， 從而控制掌子面超前核心巖土的變形及防止圍巖失穩(wěn)塌方， 為主動控制變形方法， 如圖1 所示。

淺埋暗挖法已在我國城市地鐵開挖及淺埋工程中得到了廣泛的應用， 但在城市深埋地下工程， 尤其是地下水豐富的工程中， 淺埋暗挖法有一定的局限性。 目前其仍不適用于帶水施工作業(yè)， 無法有效解決在含承壓水地層中構(gòu)筑暗挖車站和區(qū)間的難題， 需要尋求一種新的施工及設計方法來指導深埋地下工程的施工。 新意法的理念能夠很好地解決這一點， 有必要對兩種工法進行對比分析， 尤其是力學效應方面的對比分析， 為城市深埋暗挖隧道的設計和施工提供依據(jù)和參考。

1 有限元建模及模擬方法

1.1 模型建立及土體參數(shù)

選用FLAC3D 軟件模擬了兩種工法開挖隧道， 隧道覆土厚度為12m， 洞徑為6m，H/D＝2，模型的幾何尺寸為42m×20m×30m， 見圖2。 土體、 洞周加固土體及超前核心土均采用Mohr-Coulomb 模型。 城市地鐵隧道采用暗挖法施工時一般要求二次襯砌在圍巖和初期支護變形基本穩(wěn)定后施作， 數(shù)值計算中襯砌單元采用FLAC3D 中的shell 單元， 模擬真實隧道開挖過程， 在隧道開挖后釋放應力一段時間再施加襯砌單元。 土體計算參數(shù)見表1。

圖2 計算模型Fig.2 Computational model

表1 土體參數(shù)Tab.1 Soils parameters

1.2 模擬方法及計算模型

由于不同開挖方式對淺埋暗挖法的計算結(jié)果有影響， 為了更好地比較新意法和淺埋暗挖法，模擬計算時對淺埋暗挖法選取兩種不同開挖模式。 淺埋暗挖法對隧道輪廓超前加固8m， 新意法對超前核心土及隧道輪廓超前加固8m， 隧道開挖進尺均為4m。 數(shù)值計算都是在相同的開挖進尺、 相同的支護時機， 即相同的應力釋放條件下進行的。 三種模型分別為: 全斷面開挖淺埋暗挖法、 新意法、 上下臺階開挖淺埋暗挖法。 見圖3。

圖3 模擬計算Fig.3 Simulation calculation

2 力學效應對比分析

從地表橫向、 縱向變形、 掌子面的擠出變形及塑性區(qū)等方面分析新意法和兩種開挖模式淺埋暗挖法力學效應的差異性。

2.1 地層變形對比分析

1. 橫向變形

(1)地層變形。 圖4 為不同工法對應的地層橫向變形云圖， 由圖可知， 三種模型的地層變形模式基本相同。 全斷面開挖的淺埋暗挖法引起隧道拱頂最大沉降值為53mm， 地表最大沉降值為27mm； 新意法引起隧道拱頂最大沉降值為27.32mm， 地表最大沉降值為16mm； 上下臺階開挖的淺埋暗挖法引起隧道拱頂最大沉降值為26.88mm， 地表最大沉降值為12.53mm。 分析可以得到， 超前加固核心土和上下臺階分布開挖均可以有效地控制橫向變形， 控制效果明顯。 通過圖5 和圖6 的對比結(jié)果可知， 超前加固核心土對拱頂和地表變形有較大影響。

圖4 掌子面正上方地層變形云圖(單位： m)Fig.4 Stratum deformation nephogram just above the tunnel face (unit: m)

(2)橫向地表沉降。 圖5 為掌子面上方橫向地表沉降曲線， 由圖可知， 三種模型引起地表沉降曲線的形態(tài)與Peck 曲線相似， 均為正態(tài)分布型。 地表沉降曲線以隧道中軸線為對稱軸， 軸線上方沉降值最大， 隨著與隧道中心線距離的增加而逐漸減小， 減小過程中， 變化率由大到小， 最后曲線逐漸平穩(wěn)。 全斷面開挖的淺埋暗挖法引起地表最大沉降值為27mm， 沉降槽寬度為30m；新意法引起地表最大沉降值為16mm， 沉降槽寬度為24m； 上下臺階開挖的淺埋暗挖法引起地表最大沉降值為12.53mm， 沉降槽寬度為20m。 分析可以得到， 新意法和上下臺階開挖淺埋暗挖法均能有效控制橫向地表沉降， 而且越靠近隧道軸線效果越明顯。

圖5 掌子面正上方地表沉降Fig.5 Surface settlement trough just above the tunnel face

2. 縱向變形

(1)地層變形。 圖6 為不同模型對應的地層縱向變形云圖， 由圖可知， 全斷面開挖淺埋暗挖法引起隧道拱頂最大沉降值為85mm。 新意法引起隧道拱頂最大沉降值為67mm。 上下臺階開挖淺埋暗挖法引起隧道拱頂最大沉降值為61mm。除隧道拱頂最大沉降值存在明顯差別外， 三種模型的地層變形形態(tài)也存在差異， 全斷面開挖淺埋暗挖法的地層變形形狀寬而高， 新意法的地層變形形狀窄而高， 上下臺階開挖淺埋暗挖法的地層變形形狀寬而低。 通過上面的分析可知， 超前加固核心土不僅可以有效地控制地層橫向變形， 還能有效地控制縱向變形， 而上下臺階開挖淺埋暗挖法只能控制橫向變形。

(2)地表縱向沉降。 圖7 為三種模型對應的隧道中軸線上的拱頂縱向沉降曲線， 新意法引起的拱頂沉降曲線形態(tài)與另外兩種模型的曲線形狀相差較大。 新意法引起的拱頂沉降曲線趨于陡峭， 隨著掌子面與測點距離逐漸增加， 拱頂?shù)淖畲笪灰瓶焖贉p小到微小位移， 掌子面前方3m 處就能達到微小位移。 而另外兩種模型引起的拱頂沉降曲線趨于平緩， 隨著掌子面與測點距離逐漸增加， 拱頂?shù)淖畲笪灰凭徛郎p小到微小位移， 掌子面前方5m 處才能達到微小位移。 這也進一步說明新意法控制隧道軸線方向的地層位移效果最好。

圖6 縱向地層變形云圖(單位： m)Fig.6 Longitudinal deformation nephogram (unit: m)

圖7 拱頂縱向沉降Fig.7 Vertical settlement of vault

3. 掌子面擠出變形

圖8 為不同模型對應的掌子面擠出變形云圖，由圖可知， 全斷面開挖淺埋暗挖法引起隧道掌子面最大擠出變形值為87mm， 掌子面發(fā)生明顯水平向擠出變形的范圍為5m； 新意法引起隧道掌子面最大擠出變形值為17mm， 掌子面發(fā)生明顯水平向擠出變形的范圍為2m； 上下臺階開挖淺埋暗挖法引起隧道掌子面最大擠出變形值為38.8mm， 掌子面發(fā)生明顯水平向擠出變形的范圍為3m。 由此可知， 超前加固核心土控制掌子面擠出變形的效果最好， 該工法最能保證掌子面的穩(wěn)定性。

圖8 掌子變形云圖(單位： m)Fig.8 Deformation nephogram of tunnel face(unit: m)

圖9 為不同模型對應的掌子中軸線上土體擠出變形與隧道高度的變化關系曲線。 從圖9可以明顯看出， 不同模型對應的關系曲線的形態(tài)差別較大。 新意法引起隧道掌子的擠出變形曲近似垂線， 這說明超前加固核心土體發(fā)揮整體承載能力， 不容易發(fā)生局部破壞。 全斷面開挖淺埋暗挖法引起掌子面擠出變形曲線明顯向右凸， 最大擠出變形發(fā)生在隧道的底部， 這樣會導致掌子面底部的土體首先塌落破壞。 上下臺階開挖淺埋暗挖法引起隧道掌子面擠出變形曲線的形態(tài)表現(xiàn)為: 上臺階對應曲線明顯向右凸， 最大擠出變形發(fā)生在上臺階中部， 下臺階對應的關系曲線近似垂線。 這說明上下臺階開挖掌子面的破壞將是從上部開始， 上臺階局部土體容易發(fā)生失穩(wěn)。 由此可知， 新意法在控制掌子面變形及保證掌子面穩(wěn)定性方面具有較強的優(yōu)勢。

圖9 掌子面的擠出變形與隧道高度的變化關系Fig.9 Change relationship between extrusion deformation of tunnel face and Tunnel height

2.2 塑性區(qū)的對比分析

圖10 為不同開挖模型對應的隧道周邊土體的塑性區(qū)， 由圖可知， 全斷面開挖淺埋暗挖法掌子面橫向和縱向大面積出現(xiàn)剪切破壞， 橫向塑性區(qū)的范圍為5m， 縱向塑性區(qū)的范圍為6m。 新意法掌子面橫向塑性區(qū)的范圍為3m， 縱向塑性區(qū)的范圍為2m， 這說明整個掌子面在開挖后經(jīng)過應力重分布， 形成塑性區(qū)域的范圍很小， 大部分超前核心土仍然處于彈性變形階段。 上下臺階開挖的淺埋暗挖法橫向塑性區(qū)的范圍為3m， 縱向塑性區(qū)的范圍為4m。 由此可知， 新意法最能保證掌子面的穩(wěn)定性。

圖10 塑性區(qū)Fig.10 Soil plastic zone

3 結(jié)論

1. 模型計算表明地層橫向變形控制效果:上下臺階淺埋暗挖法＞新意法＞全斷面淺埋暗挖法， 分步開挖較全斷面開挖效果明顯； 橫向地表沉降: 上下臺階淺埋暗挖法比新意法減少22%，比全斷面淺埋暗挖法少54%。

2. 縱向彎形: 新意法引起的拱頂沉降曲線趨于陡峭， 在掌子面前方3m 處就能達到微小位移。 淺埋暗挖兩種開挖模式引起的拱頂沉降曲線趨于平緩， 在掌子面前方5m 處才能達到微小位移。

3. 掌子面擠出變形量: 上下臺階淺埋暗挖法是新意法的2.3 倍， 全斷面淺埋暗挖法是新意法的5.1 倍； 明顯水平向擠出變形的范圍: 上下臺階淺埋暗挖法是新意法的1.5 倍， 全斷面淺埋暗挖法是新意法的2.5 倍。

4. 塑性區(qū)范圍: 橫向范圍內(nèi)上下臺階淺埋暗挖法和新意法一致， 均為全斷面淺埋暗挖法的3/5； 縱向范圍內(nèi): 上下臺階淺埋暗挖法是新意法的2 倍， 全剖面淺埋暗挖法是新意法的2.5 倍。

5. 與新意法相比， 分步開挖的淺埋暗挖法控制隧道的橫向變形效果較好， 塑性區(qū)橫向范圍兩者基本一致； 新意法隧道塑性區(qū)縱向范圍更小， 在掌子面擠出變形、 隧道縱向變形控制效果上優(yōu)勢更明顯。