施工順序?qū)Φ罔F隧道開挖變形影響研究

韓麗媛，汪海波，王松青，宗 琦

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中煤礦山建設(shè)(集團(tuán))城市交通建設(shè)分公司，安徽 合肥 230091)

地鐵建設(shè)過程中，隧道的開挖會(huì)造成圍巖的應(yīng)力重分布產(chǎn)生位移[1-2]。較大的位移會(huì)引起沉降和大變形，甚至造成地表塌陷、建筑物倒塌[3-5]。因此地鐵隧道的變形問題是關(guān)系建設(shè)安全和進(jìn)度的關(guān)鍵問題[6-8]，為避免隧道工程開挖對(duì)周圍地層產(chǎn)生不良影響，必須對(duì)地層沉降和變形進(jìn)行有效的預(yù)測，從而合理控制隧道開挖引起的地層沉降。

有限元數(shù)值模擬軟件可以根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件、施工方法、選擇對(duì)模擬條件進(jìn)行設(shè)置，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析的方法進(jìn)行有效的數(shù)值模擬，預(yù)測隧道開挖變形，因此得到廣泛應(yīng)用[9-10]。文獻(xiàn)[11]采用PLAXIS軟件模擬研究了固定埋深、單一圍巖下的不同凈距對(duì)中夾巖核心區(qū)受力影響以及同一平面上拱頂?shù)乇沓两?、拱頂及拱底的位移；文獻(xiàn)[12]基于Gibson土建立隧道三維實(shí)體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，研究平行雙孔隧道異步開挖的滯后距離對(duì)兩隧道同一平面間隔相同角度各點(diǎn)的位移；文獻(xiàn)[13]采用模擬實(shí)驗(yàn)研究小凈距隧道施工過程中的相互影響，并用數(shù)值模擬的結(jié)論作為對(duì)比參考。文獻(xiàn)[14]運(yùn)用MIDAS GTS建立三維模型模擬了某地鐵工程正線盾構(gòu)下線明挖區(qū)間的開挖過程，分析了土體變形對(duì)上部明挖區(qū)間的影響。

武漢市軌道交通27號(hào)線一期項(xiàng)目是江夏區(qū)首條地鐵線路，由于青龍山地區(qū)覆土層逐漸減小，該線路紙坊大街站-地鐵小鎮(zhèn)站正線區(qū)間暗挖隧道采用礦山法施工。由于線路從紙坊大街站出來后隧道間距小，地表為城市道路和居民區(qū)，覆蓋層為黏土和中風(fēng)化石灰?guī)r，且隧道頂板處于巖土層分界面、上覆石灰?guī)r厚度較薄，故建立非單一圍巖的實(shí)體三維模型，分析凈距和異步開挖對(duì)隧道變形的影響，以控制開挖步距，為周邊地鐵隧道施工提供參考。

1 工程概況

紙坊大街站-地鐵小鎮(zhèn)站正線區(qū)間暗挖隧道和出入場線并行，區(qū)間起點(diǎn)里程DK0+074.200。出入場線位于正線區(qū)間左、右線之間，并線段出入場線與正線最小凈間距1.64m(凈巖柱)。出入場線凈寬11.8m，凈高9.6m。左右隧道凈寬6.98m，凈高7.401m。各隧道及地面道路位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 隧道間平面位置關(guān)系

該區(qū)段主要穿越中風(fēng)化石灰?guī)r，上覆土層主要是紅粘土、雜填土、粉質(zhì)黏土、粘土夾碎石。隧道下穿青龍山，基巖埋深較淺，裂隙發(fā)育，入滲條件好，接受大氣降水補(bǔ)給后，側(cè)向徑流補(bǔ)給場區(qū)地下水，徑流條件較好，施工期間降水量較少，地下水水位較低，水量相對(duì)較小，具有明顯的動(dòng)態(tài)特征。

2 數(shù)值計(jì)算方案

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

由于已定出入場線待左右線隧道永久襯砌施做后再行開挖，模擬計(jì)算選取實(shí)際工程中左右隧道開挖、支護(hù)過程進(jìn)行研究，忽略出入場線開挖。根據(jù)設(shè)計(jì)情況，隧道頂板埋深19.6m，利用ANSYS建立模型，原點(diǎn)在兩隧道凈距中點(diǎn)處，長91m，寬47m，沿開挖方向取50m。其中左右邊界各取30m，下邊界為20m，兩隧道實(shí)際凈距為15m。對(duì)于模型位移的邊界[15-17]，對(duì)其左右施加水平方向力的約束。對(duì)于力的邊界，僅考慮土體的自重，取重力加速度g=9.8 m/s2。

計(jì)算采用D-P本構(gòu)模型，巖土體采用solid45單元，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用shell63單元，采用Mesh200單元建立巖土體的面模型和支護(hù)的線模型，然后將線模型拉伸為殼模型，面拉伸為體模型。

2.2 數(shù)值計(jì)算方案

為研究凈距和不同超前距離開挖時(shí)隧道的變形特征，結(jié)合工程特點(diǎn)，凈距設(shè)計(jì)為1.64m、3m、9m、15m四種，超前距離設(shè)計(jì)為0m、10m、20m、30m、40m、50m六種；共24種計(jì)算工況。

上層覆蓋簡化成厚度均勻變化的土層。模擬時(shí)對(duì)錨桿支護(hù)采取簡化處理，將隧道左右兩側(cè)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)提高為C25混凝土，其加固厚度為0.9～2.5m均勻變化，做二次襯砌與開挖時(shí)間間隔較久，所以二次襯砌的作用效果不予考慮[18]。左右隧道的開挖采用全斷面一次開挖，每次開挖2m后，施作初期支護(hù)，包括噴射350mm厚C25混凝土和邊墻安裝3.5mφ25中空注漿錨桿，環(huán)縱向1m×0.5m。左線隧道先行開挖，等開挖至預(yù)設(shè)超前距離時(shí)再進(jìn)行右線隧道開挖。為研究拱頂、拱腰和地表沉變形，沿左隧道開挖方向10m每2m選取一個(gè)監(jiān)測斷面。

2.3 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，采用的各巖土層及噴射混凝土的基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體和噴射混凝土參數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 小凈距隧道開挖地層位移分布特征

由于設(shè)置的工況種類較多，僅列出凈距1.64m超前0m和10m時(shí)的位移云圖，如圖2所示。

(a)超前0m時(shí)地層位移云圖

(b)超前10m時(shí)地層位移云圖圖2 小凈距隧道開挖地層位移分布

由圖2可知，兩種開挖方式地層位移分布特征相似，最大沉降量都在拱頂，分別為18.6mm和17.08mm；最大隆起量在拱底；且圖2(a)的地層沉降寬度和沉降量均大于圖2(b)，表明異步開挖能夠有效減小地層位移變形。

3.2 單個(gè)隧道開挖位移特征

模擬分析時(shí)，每次開挖2m，開挖總長=2×開挖次數(shù)n，左線隧道開挖至各工況設(shè)定的超前距離后停止開挖，再進(jìn)行右線隧道開挖。得到左線隧道單獨(dú)開挖時(shí)沿開挖長度上各個(gè)截面拱頂點(diǎn)A豎直位移、拱腰點(diǎn)D水平位移量變化情況，如圖3所示。

(a)左線隧道拱頂豎直位移量

(b)左線隧道拱腰水平位移量圖3 左線隧道開挖的位移特征

由圖3(a)可知，當(dāng)?shù)谝淮伍_挖時(shí)，位移最大值在洞口，為14mm；隨著隧道開挖次數(shù)的增加，每次開挖所產(chǎn)生的位移變形量越小，所有監(jiān)測點(diǎn)的位移最后都趨于一個(gè)穩(wěn)定值；開挖時(shí)，除了對(duì)已開挖的隧道產(chǎn)生擾動(dòng)外，對(duì)開挖面前方4m范圍內(nèi)也產(chǎn)生了影響，拱頂也出現(xiàn)下沉，施工時(shí)要控制一次開挖距離，避免因距離過大引起冒頂。

由圖3(b)可知，左線隧道的拱腰水平位移與圖3(a)的拱頂豎直位移，具有相同的變化規(guī)律。說明每2m前進(jìn)開挖，在沿隧道開挖方向上的開挖前4m左右范圍內(nèi)的位移變化有影響。

3.3 不同超前距離時(shí)隧道拱頂位移變化

模擬時(shí)左線隧道先行開挖、右線隧道后開挖，施工過程對(duì)左線隧道影響更大，故僅對(duì)左線隧道各監(jiān)測點(diǎn)位移量進(jìn)行分析。圖4為不同工況時(shí)左線隧道拱頂點(diǎn)的位移量與開挖距離關(guān)系；超前間距50m、40m、30m變化趨勢一致，限于篇幅未予列出。

由圖4(a)可知，當(dāng)兩隧道同時(shí)開挖時(shí)相對(duì)于左線隧道單獨(dú)開挖，拱頂位移量整體變化趨勢一致。當(dāng)凈距大于9m時(shí)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)拱頂豎直位移相差很小，說明凈距大于9m時(shí)右線隧道開挖對(duì)左線隧道的拱頂豎直位移影響很小，而小于此值時(shí)開挖施工應(yīng)更謹(jǐn)慎。

圖4(b)為當(dāng)超前間距在10m時(shí)各點(diǎn)的拱頂位移量變化情況，左線隧道的拱頂變形量先增大后減小，隨著開挖的進(jìn)行位移量越小，且與凈距大小關(guān)系不密切。

(a)超前0m時(shí)左線隧道拱頂位移變化

(b)超前10m時(shí)左線隧道拱頂位移變化

(c)超前20m時(shí)左線隧道拱頂位移變化圖4 左線隧道拱頂位移變化

圖4與圖3相比較，對(duì)于同一個(gè)截面，當(dāng)凈距相同時(shí)，隨著超前距離增大左隧道超前開挖的位移量減?。划?dāng)右隧道繼續(xù)開挖時(shí)，不同超前距離的左隧道位移變化雖然變化趨勢一樣，最后穩(wěn)定的位移值仍然隨超前間距增大而減小。此外，隧道拱頂豎直位移受超前距離變化的影響大于凈距變化的影響。

3.4 不同超前距離時(shí)隧道拱腰位移變化

超前0m、10m、20m，凈距1.64m、3m、9m、15m時(shí)隧道拱腰位移變化如圖5所示。

(a)超前距離0m左線隧道拱腰水平位移

(b)超前距離10m左線隧道拱腰水平位移

(c)超前距離20m左線隧道拱腰水平位移圖5 左線隧道拱腰水平位移

由圖5可得，各凈距和超前距離時(shí)，隧道拱腰水平位移均在5mm以內(nèi)；且至開挖面距離越小，變形量越小。圖5(a)中凈距小于9m時(shí)，隧道拱腰位移出現(xiàn)負(fù)值，表明隧道圍巖向內(nèi)收縮。其他工況下，隧道拱腰位移均為正值，說明左線隧道受右線隧道施工影響和上覆巖土層自重作用，隧道拱腰向右線方向變形，即向外擴(kuò)張。對(duì)比圖5和圖3(b)，對(duì)于同一個(gè)截面、凈距時(shí)，隨著超前距離增大左線隧道超前開挖的穩(wěn)定位移量減??；當(dāng)右線隧道繼續(xù)開挖時(shí)，不同超前距離的左線隧道位移雖然變化趨勢一樣，最后穩(wěn)定的位移值仍然隨超前間距增大而減小。

3.5 不同超前距離時(shí)隧道拱頂?shù)乇砦灰谱兓?/h3>

表2和表3分別表示超前20m、50m時(shí)，右線隧道開挖時(shí)左線隧道地表位移的增加量。

表3 超前50m左線隧道地表沉降增加量 m

由表2、表3可知，右線隧道開挖增大了左線隧道地表沉降，但是不論凈距多少，地表沉降變化量相差不大。對(duì)于超前20m時(shí)，地表沉降量為正值，表明由于模型體中軸線處沉降值較大，隧道上方土體受到向中軸線方向擠壓，造成地表向上隆起。

4 現(xiàn)場監(jiān)測

4.1 實(shí)測數(shù)據(jù)

實(shí)際施工時(shí)，每10～15m布置一個(gè)斷面進(jìn)行拱頂位移、 地層沉降監(jiān)測，監(jiān)測頻率為每1～2d1次。由于篇幅限制，僅列出左線開挖時(shí)DK45+878(距隧道口0m)和DK45+888(距隧道口10m)斷面30d的拱頂位移、地層沉降曲線如圖6所示。

(a)DK45+878斷面監(jiān)測點(diǎn)位移

(b)DK45+888斷面監(jiān)測點(diǎn)位移圖6 典型監(jiān)測點(diǎn)位移

根據(jù)施工場地周圍環(huán)境，確定隧道變形的警戒值為24mm、控制值為30mm。由圖6所示，隧道開挖后拱頂和地表位移較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)較大幅度的增長，均在警戒值范圍內(nèi)；且地表較拱頂位移量大，表明在超前支護(hù)作用下，隧道頂部具有較好的支撐作用。

4.2 實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析

實(shí)際施工時(shí)左線隧道超前距離保持在20m以上，圖7為左線隧道超前20m不同開挖天數(shù)時(shí)圖4(c)監(jiān)測點(diǎn)1(距隧道口0m處)和監(jiān)測點(diǎn)2(距隧道口10m處)的拱頂位移與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果柱狀對(duì)比。圖3與圖6的地層位移相比，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果相差1～2mm，均在警戒值允許范圍內(nèi)。表明模擬結(jié)果是可靠的，可以為施工方案與工序優(yōu)化提供參考。

圖7 監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

對(duì)于覆蓋層為黏土和中風(fēng)化石灰?guī)r、且隧道上覆石灰?guī)r厚度較薄條件下，凈距相同、超前間距大于10m時(shí)，先后開挖隧道的位移可以控制在安全范圍內(nèi)。

當(dāng)超前距離相同，凈距大于9m時(shí)，后開挖隧道對(duì)先開挖隧道的水平和豎向位移的影響較小，且凈距越大位移變化率越小。

適當(dāng)?shù)某熬嚯x可以減小地層位移和隧道的變形，超前距離越大最終位移越小。當(dāng)兩隧道間凈距小于9m時(shí)應(yīng)該做好中隔巖墻的加固和支護(hù)，避免先開挖隧道向內(nèi)收縮過大。