復(fù)合支護地鐵隧道臨時支護變形特征分析

摘 要：為進一步提高地鐵隧道開挖過程中隧道圍巖的支護效果，本研究結(jié)合工程實際，考慮隧道受載不對稱、埋深淺、圍巖薄弱等特點，采用MIDAS有限元軟件分析二次開挖隧道臨時鋼支撐支護的影響效果及變形特征。試驗結(jié)果表明，受非對稱荷載影響，隧道右拱肩沉降明顯。臨時鋼支架的存在大大減少了拱肩處圍巖的沉降，左拱肩上的最大拉應(yīng)力從0.35MPa降至0.16MPa，下降了54.3%。同時，拉應(yīng)力范圍縮小，部分區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)由拉變?yōu)閴海欣趪鷰r的穩(wěn)定。上臺階臨時鋼支撐變形經(jīng)歷4個階段：收斂、擴展、融合和穩(wěn)定；下臺階變形經(jīng)歷收斂、擴張、收斂、擴張、穩(wěn)定5個階段。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道；臨時支護；變形特征；鋼支撐

中圖分類號：U 45 " 文獻標志碼：A

當(dāng)在上軟下硬地層開挖淺埋地鐵隧道時，上覆地層容易出現(xiàn)過度沉降甚至坍塌。因此，為保障隧道開挖過程的安全和保證穩(wěn)定[1]，通常采用管頂進行超前預(yù)加固，并采用中隔墻法（CDM）組合來開挖隧道，CDM可以在隧道中部預(yù)留鋼墻支護。國內(nèi)外隧道工程領(lǐng)域的專家從現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬和模型試驗3個方面對臨時支護進行了大量研究[2-3]。

然而，上述研究大多是基于傳統(tǒng)地層，隧道挖掘方法較為簡單。在復(fù)雜地質(zhì)條件下的CDM隧道的挖掘過程中，對臨時鋼支承的影響和變形特性的研究較少，需要進一步分析?；诖?，本文以某地鐵3號線隧道為基礎(chǔ)，利用MIDASGSTSNX有限元軟件，建立淺層隧道的數(shù)值計算模型，并模擬非對稱荷載淺隧道的CDM挖掘過程。同時，分析臨時鋼支撐作用下圍巖變形的演化規(guī)律。該結(jié)果可以為類似大截面隧道挖掘提供新的理論依據(jù)。

1 工程背景和挖掘方法

1.1 工程地質(zhì)

某地鐵3號線隧道淺埋段穿越中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖。在該隧道右側(cè)，與隧道平行的山坡長度和高度分別為60m和30m，其斜率為1∶1[4-5]。在隧道頂部位置鉆孔可以獲得隧道上覆巖土層的信息[6]。本隧道風(fēng)化巖土層自上而下依次為基層填土、全風(fēng)化泥巖、強風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查報告獲得地表以上土層的信息。表1為各地層的巖性、分布厚度和代表性符號。

隧道頂部范圍為強風(fēng)化泥巖。局部地段巖體節(jié)理、裂隙密集，自穩(wěn)性差。在開挖過程中，巖石容易剝落，甚至有局部坍塌的危險。為保障開挖安全，采用管頂預(yù)注漿加固冠部圍巖，并在隧道四周及時鋪設(shè)鋼格柵，且采用多根工字鋼縱向連接形成的垂直墻對冠部進行支撐[7]。

1.2 隧道開挖方法

隧道埋深為10.7m，隧道斷面開挖高度10m，最大寬度13m，斷面面積約為102.6㎡。由于巖體破碎和單側(cè)山體側(cè)壓力的耦合作用，因此該大斷面隧道圍巖自穩(wěn)性較差，支護結(jié)構(gòu)存在遷移風(fēng)險。在施工過程中，隨著隧道工作面推進，逐步采用管頂預(yù)注漿加固圍巖，并采用CDM法開挖隧道。具體技術(shù)流程如下。挖掘左側(cè)上部臺階（每步1m），同時安裝鋼格柵、臨時鋼支撐和鎖腳螺栓→挖掘左側(cè)下臺階（每步1m），同時安裝鋼格柵、錨桿和臨時鋼支撐→挖掘右側(cè)上臺階（每步1m），同時安裝鋼格柵和鎖腳螺栓→挖掘右側(cè)下臺階（每步1m），同時安裝鋼格柵和錨固件，逐步進行循環(huán)挖掘。

隧道側(cè)壁上有4個錨桿，長度為4m，縱向間距為1m，錨桿性能見表2。圍巖支護采用C25混凝土，噴射混凝土厚度為18cm。臨時鋼支撐采用18號工字鋼，其彈性模量為210GPa，截面慣性矩為1659.45cm4。鋼格柵由?25mm主鋼筋和?14mm連接鋼筋組成。其彈性模量為210GPa，橫截面慣性矩為3686.76cm4。

隧道臨時鋼支撐為細長結(jié)構(gòu)?？紤]隧道開挖過程中容易出現(xiàn)失穩(wěn)，為保證其穩(wěn)定性，底部采用特殊的鋼板結(jié)構(gòu)支座，支座采用螺栓固定。圖1為臨時鋼支撐下端的固定方式。

2 數(shù)值分析

2.1 建筑模型

采用MIDASGTSNX有限元軟件，用CDM模擬該隧道的開挖過程。計算范圍：X×Y×Z=90m×60m×50m，如圖2所示。邊界條件：在模型的前、后、左、右邊界上施加水平位移約束。在底部邊界施加垂直位移約束。表面為自由邊界。

網(wǎng)格劃分：地層、擋土墻和注漿加固區(qū)采用六面體實體單元模擬，單元數(shù)為161769個，節(jié)點數(shù)為143226個。管頂、臨時鋼支撐和連接鋼筋采用梁單元模擬，單元數(shù)為5680個，節(jié)點數(shù)為5819個。鋼格柵、隧道側(cè)壁和混凝土噴射層采用板元素模擬，元素數(shù)為4569，節(jié)點數(shù)為5158。錨桿采用嵌入式桁架元素，元素數(shù)為2898，節(jié)點數(shù)為3556。元素總數(shù)為174916個，節(jié)點數(shù)為157759個。

2.2 基本假設(shè)

鑒于地下隧道段的位置，地層自上而下由路基填土、全風(fēng)化泥巖、強風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖組成。隧道開挖的數(shù)值模擬符合以下假設(shè)。1）將各地質(zhì)層、管頂注漿和固體視為均質(zhì)各向同性介質(zhì)。2）隧道圍巖、臨時鋼支架和管頂灌漿的變形和破壞符合經(jīng)典彈塑性理論。3）不考慮隧道開挖引起的擾動對結(jié)構(gòu)本身的影響和構(gòu)造應(yīng)力的影響，只考慮自重對結(jié)構(gòu)自身的影響。采用MIDAS軟件中的圍巖重力計算初始水平應(yīng)力。在數(shù)值模擬過程中，建立隧道開挖的三維模型，進一步分析臨時鋼支撐的影響，并研究隧道開挖過程中臨時鋼支撐對圍巖壓力和位移的影響，并對其應(yīng)力和變形進行分析。共設(shè)置6個測量點（A、B、C、D、E和F）來監(jiān)測拱頂和拱肩的沉降，并設(shè)置兩條水平測量線（1-1和1-2），分析臨時鋼支架的水平位移。

3 結(jié)果與討論

3.1 圍巖應(yīng)力

在開挖過程中，圍巖的破壞與圍巖的最大主應(yīng)力有關(guān)。因此，本文分析了灌漿區(qū)及其他部位圍巖的最大主應(yīng)力。圖3為開挖過程中圍巖的應(yīng)力分布情況。

在有無臨時鋼支撐的隧道開挖過程中，圍巖第一主應(yīng)力的分布是一致的。所有開挖完成后，最大拉應(yīng)力從1.12 MPa變?yōu)?.90 MPa，最大壓應(yīng)力從?1.19 MPa變?yōu)?1.07 MPa。變化并不明顯。臨時鋼支撐對圍巖第一主應(yīng)力極值的影響可以忽略不計。受不對稱荷載的影響，隧道周圍的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱肩和隧道底部附近。臨時鋼支撐有利于改善隧道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，特別是左拱肩和隧道底部的圍巖應(yīng)力。對比圖3（b）和圖3（d），在臨時鋼支架安裝后，左拱肩上的最大拉應(yīng)力從0.35 MPa降至0.16 MPa，下降了54.3%。同時，拉應(yīng)力范圍縮小，部分區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)由拉變?yōu)閴?，有利于圍巖穩(wěn)定。臨時鋼支撐使左拱肩圍巖的應(yīng)力分布更加合理。在隧道開挖過程中，臨時鋼支架兩端的圍巖產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，容易發(fā)生局部破壞。臨時鋼支撐應(yīng)注意柔性支撐設(shè)計。

3.2 臨時鋼支撐的力學(xué)特性分析

在隧道開挖過程中，左上臺階①位于隧道的左側(cè)上部。左下臺階②位于隧道的左側(cè)下部，右上臺階③位于隧道的右側(cè)上部，右下臺階④位于隧道的右側(cè)下部。采用MIDAS提取橫截面y=30m的兩條水平測量線1-1和1-2的數(shù)據(jù)。隧道開挖過程的收斂變化如圖4所示。從圖4可以看出，上、下臺臨時鋼支撐相對水平收斂的變化規(guī)律基本相同。在開挖過程中，上、下臺鋼支撐的最大收斂量分別為-8.9mm和-11.9mm，最大膨脹量分別為6.9mm和17.5mm。左上臺階①開挖后，上臺階鋼支撐（測量線1-1）的水平收斂迅速增至-6.6mm。左下臺階②開挖后，水平收斂逐漸增至-6.9mm。此時，臨時鋼支撐承受垂直圍巖壓力和側(cè)向土壓力。隨著開挖的逐步推進，壓力增加，水平收斂也隨之變大。同時，下部臺階鋼支撐（1-2號測量線）的水平收斂迅速增至11.0mm。右上臺階③開挖后，上臺階鋼支撐相對水平位移由-6.4mm變?yōu)?.9mm，變化幅度為13.3mm。變化主要原因為右上臺階③開挖時，上臺階鋼支架右側(cè)土壓力釋放，其相對水平位移狀態(tài)由收斂逐漸變?yōu)榕蛎?。同時，下臺階鋼支架的相對水平位移從?11.0mm增至17.5mm，增幅為28.5mm。右上臺階③開挖使下臺階鋼支撐右側(cè)的土壓力進一步釋放，導(dǎo)致其收斂值減少。臨時鋼支撐收斂和擴張分別向左和向右移動。左上臺階①和下臺階②開挖會使臨時鋼支架收斂，右上臺階③和下臺階④開挖會引起膨脹。上臺階鋼支架變形主要受左上臺階①和右上臺階③開挖的影響，下臺階鋼支架的變形主要受右上臺階②和下臺階④開挖的影響。上部臺階鋼支架的變形經(jīng)歷4個階段：收斂、膨脹、收斂和穩(wěn)定。下臺階鋼支架的變形經(jīng)歷了收斂、膨脹、收斂、膨脹和穩(wěn)定這5個階段。

4 結(jié)論

結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，本文探討非對稱加載隧道開挖過程中臨時鋼支撐的變形和力學(xué)特性。得出以下結(jié)論。1）在有無臨時鋼支撐的隧道開挖模擬過程中，周圍的應(yīng)力分布基本相同。鋼支撐使左幅最大拉應(yīng)力從0.35MPa降至0.16MPa，降幅達到54.3%。同時，拉應(yīng)力區(qū)域面積縮小，更有利于圍巖的穩(wěn)定。2）上、下臺臨時鋼支撐相對水平收斂的變化規(guī)律基本相同。在開挖過程中，上、下臺鋼支撐的最大收斂量分別為-8.9mm和-11.9mm，最大膨脹量分別為6.9mm和17.5mm。

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