雙線隧道施工開挖錯距對地表沉降的影響研究★

韓 馳，秦明澤，曹文豪，石 杰，陳 凱，張學宇，張申源

(1.南陽理工學院土木工程學院，河南 南陽 473000;2.棗莊職業(yè)技術學院 組織人事部，山東 棗莊 277000)

雙線隧道進行開挖會造成隧道周圍的地面嚴重松動變形，危及周圍建筑物和居民安全。雙線隧道的開挖一直被國內外業(yè)界人士所看重，降低開挖時對地表沉降的影響更是其中的難點。1806年，英國工程師布魯爾于首次提出盾構法的施工原理，后經(jīng)過改進，在氣壓的輔助下，完成了第一條盾構施工法的隧道[1]。自19世紀初以來，通過對國內外研究成果的總結可以分為經(jīng)驗公式法、模型試驗法和數(shù)值模擬法。1969年，Peck發(fā)現(xiàn)隧道水土流失量基本等于開挖時地表水平沉降值，且地表沉降相似于呈現(xiàn)正態(tài)分布，并將隧道地表水平沉降曲線設置為沉降槽形式，后發(fā)現(xiàn)其沉降曲線呈現(xiàn)正態(tài)分布[2]。國內學者[3]對Peck公式進行了優(yōu)化，并準確地預測了地表下沉量。在1984年Mair在參照盾構開挖監(jiān)測數(shù)據(jù)的同時采用了離心模型來模擬軟土地層隧道從而提出了盾構隧道施工造成地面沉降公式[4]。2005年，朱偉等研究盾構在穿過砂土層時運用了FLAC 3D軟件，對隧道的埋深做出了分析、掌子面支撐力大小和砂土內摩擦角以及直徑與地表沉降關系[5]。上述眾多理論的提出也進一步發(fā)展和完善了雙線隧道盾構施工的理論，同時國內學者對雙線隧道開挖及穩(wěn)定性[6-11]進行了較為深入的研究，為減小地表沉降影響的理論邁下了堅實的一步。

本文以洛陽地鐵二號線某一區(qū)間隧道工程為背景，用FLAC 3D進行具體隧道的數(shù)值模擬并對圓形隧道斷面及地表進行監(jiān)測分析。對雙線隧道開挖后、支護后的位移收斂進行檢測和研究，科學的對隧道穩(wěn)定性做出客觀實際的規(guī)律總結，進而指導實際施工。

1 某隧道工程概況

洛陽軌道交通2號線(Luoyang Metro Line 2)，是位于河南省洛陽市的一條標準地鐵線路，工程的隧道位于該路段的LY45+000～LY47+980段內，該隧道為雙線隧道，隧道采用雙線四車道，左、右線分別長約1 830 m,2 170 m。工況地處中原，地質狀況較好，地下水系較為簡單，因此可以忽略地下水對施工進度的正常進行影響。

該隧道的斷面為圓形斷面，隧道的直徑為8 m，埋深為44 m，地層標高為143 m～155 m。斷面面積為50.27 m2。根據(jù)表1判斷，該隧道為大斷面隧道。

表1 按凈空面積劃分的隧道斷面分類

2 支護方案及參數(shù)

隧道施工方式采用盾構法，隧道的支護方式采用盾構支護，首先，盾構機沿著目標線路分段，從啟動井開始開挖土方。盾構機在前方土壓力、盾構機內摩擦、千斤頂推力和側向土摩擦阻力的作用下向前移動，隨著盾構機向前推進，開始著手在盾構機尾部安裝管片，盾殼在管片安裝完成后將會從襯砌管片中脫出，且在盾尾脫空后立即開始注漿。其工程地質具體各土層數(shù)據(jù)以及支護結構參數(shù)(地質和支護參數(shù))如表2所示。

表2 地質和支護參數(shù)表

3 模型建立

利用FLAC 3D對雙線隧道進行開挖和支護模擬，針對巖土力學中材料的多樣性和各種材料之間異同性，F(xiàn)LAC軟件可擇的本構模型可以簡單的概括為以下幾種：一種空模型、三種彈性模型、七種塑性模型此次采用摩爾-庫侖模型(Mohr-Coulomb Model)，該模型適用于普通土壤和巖石的力學行為(如邊坡穩(wěn)定和地下開挖)，對應的材料特征為：松散膠結的顆粒材料、土壤、巖石、混凝土等。

FLAC 3D數(shù)值模擬過程中，有三部分需要嚴格制定，第一步是有限差分網(wǎng)格；第二步是選擇本構模型并且輸入材料特性即對材料進行賦值；第三步則是確定模型的邊界和初始條件，數(shù)值模擬大概流程如圖1所示。

模擬過程分為：數(shù)值模型建立、本構模型的選擇、設置邊界條件、初始條件施加、材料參數(shù)進行賦值、開挖、初次支護、設置監(jiān)測點結果輸出。本次建模尺寸為：X×Y×Z=114 m×100 m×42 m，最終得出模擬的完整圖如圖2所示。

建立初始應力狀態(tài)的巖體結構模型后，把結果進行保存，開始進行隧道的開挖，本次采用每5 m一開挖一支護的方式，開挖時需要構建空洞模型。

確定邊界時，將模型Z軸下端固定，上端無需固定，Z軸為-24 m,X軸左右邊界均需要固定，X左端為-69 m，右端為45 m，Y軸前后兩端均需固定，Y軸前端為0 m，后端為100 m。重力加速度的大小為10 m/s2，方向鉛錘向下。本論文主要用的材料的物理參數(shù)有密度、內聚力、內摩擦角、體積模量、剪切模量、抗拉強度，具體如表2所示。

本次隧道開挖共設有五個錯距方案：錯距0 m、錯距10 m、錯距20 m、錯距30 m、錯距40 m。具體開挖示意圖如圖3所示。

4 結果分析

4.1 隧道的地表沉降和圍巖的變形情況

以錯距為0 m的隧道為例，隧道的豎直方向和水平方向位移云圖如圖4所示。

水平豎向位移變化進行橫向、縱向對比情況具體見表3。

由圖4，表3可知，錯距為0 m時，兩隧道位移基本沿中心線處于對稱狀態(tài)，其中仰拱最大下沉量為8.3 mm，拱頂最大隆起值為4.6 mm，橫向斷面收縮量(左右腰之和)為5.87 mm。

表3 水平和豎向方向位移收斂值

4.2 不同錯距隧道的變形情況分析

錯距為0 m～40 m時，雙線隧道的斷面變形情況如圖5所示。由圖5知，隧道最大變形量隨錯距先增大后減小，當錯距為30 m時，隧道的變形量最大，其中豎向最大收縮量為14.3 mm，橫向最大收斂值為6.3 mm。

4.3 不同錯距隧道地表沉降變形對比分析

當錯距為0 m,10 m,20 m,30 m以及40 m時，拱頂最大沉降量分別為50.3 mm,49.4 mm,48.0 mm,47.0 mm,46.3 mm。最大的沉降量出現(xiàn)在錯距為0 m時，隨著錯距增大，地表下沉量逐漸減小，當錯距大于20 m后，地表下沉趨于穩(wěn)定。因此，在該地質和開挖條件下，20 m的錯距是最有利的錯距。不同錯距雙線隧道地表下沉情況如圖6所示。

5 結論

1)通過FLAC 3D數(shù)值模擬對比可得：錯距為0 m,10 m,20 m,30 m以及40 m時，隧道豎向收縮量分別為14.39 mm,14.2 mm,13.6 mm,13.4 mm,13.3 mm；橫向收縮量分別為6.3 mm,6.2 mm,5.8 mm,5.7 mm,5.68 mm，均呈現(xiàn)遞減趨勢。

2)隨著開挖錯距的增大，雙線隧道的地表下沉量逐漸減小，這與實際情況是相符的。

3)通過地表下沉及斷面收縮情況的模擬發(fā)現(xiàn)，當錯距為20 m時，為該地質及開挖條件下的最優(yōu)錯距。