大斷面淺埋暗挖地鐵隧道施工穩(wěn)定性分析及安全預(yù)警

單琳

摘 要：隨著城市地鐵的大量修建，隧道施工方法的選擇成為大斷面淺埋暗挖隧道安全施工的關(guān)鍵。以某市地鐵工程為背景，借助ANSYS軟件對該地鐵施工采用的CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不同施工方法引起的圍巖位移場、應(yīng)力場和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律。通過對比得出，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工引起的拱頂和地表沉降值及圍巖應(yīng)力值均小于CRD法，其支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)優(yōu)于CRD法。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合雙側(cè)壁導(dǎo)坑法現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)分析與安全預(yù)警。

關(guān)鍵詞：大斷面;淺埋暗挖;雙側(cè)壁導(dǎo)坑法;CRD法;穩(wěn)定性;安全預(yù)警

1 工程概況及數(shù)值模擬

某市地鐵南停車場S1型斷面淺埋暗挖段隧道為單洞雙線隧道，長161.8 m，開挖寬度11.88 m，高度9.55 m，隧道最大埋深14.5 m，最小埋深5.4 m，結(jié)構(gòu)支護(hù)形式為噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、格柵鋼架和二次襯砌組成的復(fù)合式襯砌。隧道地質(zhì)條件較差，圍巖級別為Ⅴ類，地表上層為黃土狀雜填土，層厚介于1.0 m～4.1 m，其下為粉質(zhì)粘土層，具有弱濕陷性。隧道主要穿越粉質(zhì)粘土層，地下水類型為孔隙潛水，埋藏較深，對隧道施工和結(jié)構(gòu)安全影響較小。

本文ANSYS數(shù)值仿真采用地層結(jié)構(gòu)模型，僅考慮土體自重應(yīng)力，假定土體為連續(xù)、均勻、各向同性的介質(zhì)。采用D-P屈服準(zhǔn)則，按平面應(yīng)變問題進(jìn)行模擬。圍巖采用實(shí)體單元模擬，噴射混凝土和鋼拱架采用梁單元模擬，格柵鋼架采用等效折算理論[1]。

2 計(jì)算結(jié)果的對比分析

2.1 圍巖位移場對比分析

兩種施工方法開挖引起的圍巖豎向位移及各個(gè)導(dǎo)洞開挖引起的地表沉降如圖1所示。

由圖1，表2可知：1）CRD法開挖引起的地表沉降最大值為8.4 mm，位于隧道中心線左側(cè)2 m附近;雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的地表最大沉降值為8.1 mm，位于隧道中心線上;雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖地表沉降對稱，易于采取加強(qiáng)措施。CRD法開挖引起的地表沉降槽寬度約為70 m，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的地表沉降槽寬度約為60 m，是CRD法開挖的0.86倍，可以有效降低對鄰近建筑物的影響。2） CRD法開挖和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的地表最大沉降值分別為16.0 mm和15.7 mm，兩種方法開挖引起圍巖豎向拱底隆起位移分別為21.9 mm和21.8 mm;由此可見，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法開挖對圍巖地表最大沉降和拱底隆起位移影響不明顯。

2.2 圍巖應(yīng)力場對比分析

兩種開挖方法下引起的圍巖豎向應(yīng)力變化如圖2所示。

由圖2可知：兩種方法開挖在臨時(shí)豎撐和拱頂初期支護(hù)連接處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，仰拱和拱腰處也出現(xiàn)了應(yīng)力集中。（1）CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在開挖卸荷后，拱頂圍巖應(yīng)力逐漸減小，CRD法的應(yīng)力最終穩(wěn)定在0.21 MPa，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的應(yīng)力最終穩(wěn)定在0.07 MPa，是CRD法開挖應(yīng)力的0.33倍;（2）CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的拱底應(yīng)力均逐漸減小，CRD法的應(yīng)力最終穩(wěn)定在0.23 MPa，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的應(yīng)力穩(wěn)定在0.09 MPa，是CRD法開挖應(yīng)力的0.4倍;（3）整個(gè)開挖過程中，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的臨時(shí)橫撐與初期支護(hù)連接處的應(yīng)力均小于CRD法;臨時(shí)橫撐下部土體開挖均引起連接處應(yīng)力的減小。

2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)對比分析

CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖后對整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)分別如圖3，圖4所示。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法開挖在臨時(shí)支護(hù)和初期支護(hù)連接處均出現(xiàn)應(yīng)力集中。施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)與初期支護(hù)連接處的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，確保施工安全。開挖過程中，CRD法開挖引起的最大彎矩為541.73 kN·m，最大軸力為1 300.0 kN。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的最大彎矩為387.84 kN·m，為CRD法的72%，最大軸力為1 160.0 kN，為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的0.89%;由此可知，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布對稱，其內(nèi)力狀態(tài)優(yōu)于CRD法[2]。

3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法監(jiān)測成果分析

選取隧道K1+010斷面1號導(dǎo)洞進(jìn)行拱頂沉降和凈空收斂監(jiān)測，其拱頂沉降和收斂變化規(guī)律見圖5，圖6。

由圖5，圖6可知：1）隧道拱頂沉降值和凈空收斂值的變化規(guī)律基本一致，可分為三個(gè)階段：增長階段，趨向平穩(wěn)階段和穩(wěn)定階段，符合“S”型沉降曲線。2）第1天～第28天，拱頂累計(jì)沉降為13.8 mm，沉降速率為-1.1 mm/d～0.2 mm/d;隧道收斂值為8.9 mm，收斂速率為-0.8 mm/d～1.3 mm/d;拱頂沉降和隧道收斂速率均變化較大。第28天～第35天，拱頂累計(jì)沉降為14.5 mm，拱頂沉降速率為-0.4 mm/d～-0.1 mm/d;隧道收斂值為9.5 mm，收斂速率為-0.6 mm/d～0.4 mm/d;拱頂沉降和隧道收斂逐漸趨于穩(wěn)定。第35天之后，拱頂沉降和水平收斂達(dá)到穩(wěn)定，其拱頂累計(jì)沉降為14.6 mm，隧道收斂值為9.7 mm;拱頂沉降和隧道收斂基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可知，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的拱頂沉降和凈空收斂集中發(fā)生在第1天～第28天，拱頂累計(jì)沉降值為總沉降值的94.5%，凈空收斂值為收斂總值的91.8%，此階段應(yīng)提高監(jiān)測頻率，加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，確保施工安全。從第28天開始圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，第28天時(shí)拱頂累計(jì)沉降值為最終累計(jì)沉降值的99.3%，收斂值為最終累計(jì)收斂值的97.9%，可拆除臨時(shí)支撐，施作二次襯砌。

4 結(jié)語

通過對大斷面隧道CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖過程的數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比得出如下結(jié)論：

（1）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的拱頂最大沉降為15.7 mm，地表最大沉降為8.1 mm，地表沉降槽寬度約為60 m，是CRD法開挖引起拱頂最大沉降的0.98倍、地表最大沉降的0.96倍、地表沉降槽寬度的0.86倍，其值均小于CRD法開挖，對隧道開挖附近有建筑物的工程有明顯的改善作用。

（2）CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，臨時(shí)豎撐與拱部初期支護(hù)處、臨時(shí)橫撐與拱部初期支護(hù)處均易出現(xiàn)應(yīng)力集中，可采用提高鋼拱架節(jié)點(diǎn)的焊接質(zhì)量或者增加支護(hù)結(jié)構(gòu)局部厚度來改善受力。同時(shí)，現(xiàn)場施工時(shí)還應(yīng)根據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測結(jié)果，圍繞圍巖動(dòng)態(tài)變形理論適時(shí)的加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)。

（3）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化明顯優(yōu)于CRD法，其開挖引起的最大彎矩為387.84 kN·m，最大軸力為1 160.0 kN，是CRD法開挖引起最大彎矩的0.72倍，最大軸力的0.89倍。

綜上所述，對于大斷面淺埋暗挖隧道，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的圍巖位移場、應(yīng)力場和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)均優(yōu)于CRD法，在實(shí)際施工時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹智淋.超大斷面淺埋地鐵車站暗挖施工穩(wěn)定性研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2018.

[2]周鋒.大斷面淺埋暗挖隧道施工方法及其穩(wěn)定性研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2013.