淺埋隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工數(shù)值模擬研究

摘要：為準(zhǔn)確評價(jià)淺埋隧道施工過程的圍巖穩(wěn)定性，利用ANSYS有限元數(shù)值分析軟件，對沈陽地鐵10號線區(qū)間淺埋隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了淺埋隧道施工過程的力學(xué)特性及變形規(guī)律。結(jié)果表明：開挖中上導(dǎo)洞后，圍巖位移、應(yīng)力和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力顯著增大，占整個(gè)導(dǎo)洞開挖的50%，且最大位移、應(yīng)力和支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩集中在拱頂、初期支護(hù)連接的薄弱處；地表沉降量隨時(shí)間變化增長趨緩，開挖90 d后趨于穩(wěn)定，且離開挖面越近，沉降量越大，最大沉降點(diǎn)出現(xiàn)在最先開挖的中上導(dǎo)洞位置；隧道開挖10 d內(nèi)拱頂下沉較快，隨開挖掌子面遠(yuǎn)離監(jiān)測點(diǎn)，拱頂沉降速率逐漸減小，開挖順序?qū)绊敵两涤绊戄^大，往往先開挖的位置拱頂沉降最大。現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明：數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果比較吻合，驗(yàn)證了數(shù)值分析的合理性。研究成果對淺埋隧道的安全、經(jīng)濟(jì)施工具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：淺埋隧道； 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法； 力學(xué)特性； 數(shù)值模擬； 現(xiàn)場監(jiān)測； 沈陽地鐵

中圖法分類號：U455.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.09.009

文章編號：1006-0081（2024）09-0051-07

0 引 言

淺埋隧道施工過程圍巖的穩(wěn)定性研究，對于揭示淺埋隧道施工力學(xué)特性及變形規(guī)律和正確評價(jià)淺埋隧道施工穩(wěn)定性，具有重要意義［1-3］。國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了分析和研究，并取得一些重要成果。屈文彬［4］研究了初支變形、應(yīng)力與弱膠結(jié)砂巖占比的關(guān)系，探討了弱膠結(jié)砂巖地層CRD法施工的安全性；趙東平等［5］利用有限元軟件模擬了大跨度隧道的動(dòng)態(tài)施工過程，提出CRD法能更好地控制圍巖變形和位移；韋彬等［6］借助有限元軟件，對大斷面隧道進(jìn)行三維仿真模擬，總結(jié)了開挖過程中初期支護(hù)、隧道洞內(nèi)沉降的變化規(guī)律；張頂立等［7］將理論分析、數(shù)值仿真和現(xiàn)場監(jiān)測三者結(jié)合，分析了不同開挖方法與支護(hù)方式條件下隧道圍巖的變形規(guī)律；康海波等［8］基于FLAC 3D軟件，采用MC模型和修正劍橋（Modified Cam Clay，MCC）本構(gòu)模型進(jìn)行對比計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)MCC模型計(jì)算地表各處的沉降量與Peck公式計(jì)算結(jié)果基本吻合，均大于MC模型的預(yù)測，而且MCC模型能避免地表非真實(shí)隆起的產(chǎn)生。王夢恕等［9］通過幾十年的現(xiàn)場實(shí)踐和理論研究，構(gòu)建了淺埋暗挖隧道施工、設(shè)計(jì)的系統(tǒng)理論；李漢愿［10］結(jié)合純黏土地層特性，提出一種改進(jìn)的破壞模型，采用非線性優(yōu)化算法，分析發(fā)現(xiàn)隧道掌子面極限支護(hù)壓力值隨黏聚力的增大而線性減小。

采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在淺埋地層中修建暗挖隧道大斷面，具有減少對圍巖的擾動(dòng)、控制開挖面穩(wěn)定、減少地面沉降等優(yōu)勢［11-12］。部分學(xué)者［13-15］針對不同隧道施工方法選取問題，通過數(shù)值分析軟件對幾種常見的施工方法進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算及對比分析，指出雙側(cè)壁導(dǎo)坑法控制圍巖變形優(yōu)于其他施工方法，建立了大斷面隧道結(jié)構(gòu)的位移場模型并得到結(jié)構(gòu)受力特征；皇民等［16］以鄭州市中原路西延線韓門超大斷面隧道為工程依托，采用有限元方法模擬隧道開挖過程，分析了圍巖的變形特性，并通過對比現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證；伍毅敏等［17］以北京市2012～2019年的279個(gè)涉路下穿工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)為樣本，從實(shí)際工程案例回歸分析的視角，對隧道下穿施工引起路面沉降的自然與人為因素進(jìn)行分析?？涤浪龋?8］分析了中國軟巖大變形災(zāi)害控制技術(shù)與方法，并對軟巖大變形災(zāi)害控制的支護(hù)結(jié)構(gòu)高效協(xié)同、實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測、軟巖改性等技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。顏衛(wèi)東等［19］通過地層分層注漿加固和采用早期強(qiáng)度高、剛度大的初期支護(hù)等措施，有效控制了超淺埋大斷面隧道圍巖變形，保證了工程質(zhì)量和施工安全；Zheng等［20］結(jié)合淺埋偏壓大斷面隧道的特點(diǎn)，采用FLAC 3D模擬了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、CD法和臺(tái)階法開挖不同坡度的隧道洞口段，發(fā)現(xiàn)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對控制邊坡穩(wěn)定性的效果更佳。

盡管上述學(xué)者對淺埋隧道施工方法開展了大量研究，并取得了豐富研究成果，但針對淺埋隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性及變形規(guī)律研究仍存在不足。為此，本文以沈陽地鐵10號線淺埋暗挖大斷面隧道工程為依托，借助有限元模擬研究隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程中圍巖位移、應(yīng)力和支護(hù)內(nèi)力變化情況，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)值仿真結(jié)果，以期揭示淺埋隧道的施工力學(xué)特性及變形規(guī)律，為淺埋隧道施工提供參考。

1 工程概況

該隧道出入場線分為暗挖段和明挖段兩部分，明挖段和暗挖段同時(shí)施工，暗挖段入場線總長216 m，出場線245 m。隧道埋深5～15 m，屬于淺埋暗挖隧道。結(jié)構(gòu)斷面采用S1型斷面，為單洞雙線隧道，開挖寬度為11.88 m，高度為9.55 m，斷面面積超過100 m2，屬于大斷面隧道。出入場隧道所穿越的地段屬于黃土地區(qū)的粉質(zhì)黏土土層，圍巖等級為Ⅴ級。結(jié)合出入場線隧道的工程地質(zhì)、水文環(huán)境和施工方法的優(yōu)缺點(diǎn)，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，開挖步驟、測點(diǎn)布置如圖1所示。

2 數(shù)值模擬

因出入場線隧道實(shí)際施工過程較復(fù)雜，不可預(yù)測因素較多，建立有限元計(jì)算模型需要進(jìn)行以下假定：① 視圍巖為均勻、連續(xù)、各向同性材料，根據(jù)圍巖的參數(shù)特點(diǎn)，合理選取圍巖的本構(gòu)模型［8，21］，考慮圍巖服從D-P屈服準(zhǔn)則［22］，不對圍巖分類考慮；② 開挖過程中不考慮地下水、滯留水和地面運(yùn)動(dòng)荷載對隧道的影響；③ 初始地應(yīng)力只考慮自重應(yīng)力，不考慮構(gòu)造應(yīng)力；④ 將超前小導(dǎo)管和錨桿模擬成等效加固土模型，自身的結(jié)構(gòu)特性不考慮；⑤ 每個(gè)導(dǎo)洞開挖和支護(hù)之間無間隔。

2.1 材料參數(shù)

隧道初期支護(hù)為C20鋼筋混凝土材料，噴射厚度為30 cm，各導(dǎo)洞之間采用工字鋼進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，超前小導(dǎo)管采用等效加固土法，圍巖及其他材料結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2 模型建立

出入場線隧道模型左右兩側(cè)各取44 m，隧道斷面取12 m，模型總寬度為100 m，模型頂部取至地面。由實(shí)際工程可知，隧道開挖高度為9.55 m，埋深從5 m到15 m，本次數(shù)值分析的開挖高度取9.6 m，埋深取15 m，考慮到邊界條件對計(jì)算結(jié)果影響比較大，隧道底部向下開挖高度為38.4 m，建立了100 m×63 m（寬×高）的平面隧道模型。映射模型采用四節(jié)點(diǎn)四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分3 380個(gè)單元，3 340個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中支護(hù)結(jié)構(gòu)單元130個(gè)，節(jié)點(diǎn)125個(gè)，劃分后的單元網(wǎng)格如圖2所示，模型材料選取和加載方式如表2所示，模擬隧道開挖步驟和順序如圖1所示。

3 結(jié)果分析

3.1 豎向位移分析

模擬隧道開挖引起的豎向（Y方向）位移如圖3所示。① 左上導(dǎo)洞開挖后（圖3（a）），洞頂上部產(chǎn)生較大沉降，底部土體向上隆起，由于開挖面積較小，所以引起地表沉降也小，最大值為0.9 mm。② 右上導(dǎo)洞開挖后（圖3（b）），其上部沉降較大，底部同樣出現(xiàn)隆起，其值達(dá)到8.8 mm，但對施工安全沒有造成影響；地表沉降監(jiān)測點(diǎn)沉降數(shù)值增大，最大增值為1.1 mm，位于開挖導(dǎo)洞上方，而最大沉降值位置與最大增值位移一致，其值為1.5 mm。③ 中上導(dǎo)洞開挖后（圖3（c）），隧道頂部依靠初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)支撐，造成位移集中在中間導(dǎo)洞上部，此時(shí)沉降最大值達(dá)到了16.4 mm，而中導(dǎo)洞中間部分土體失去豎向方向約束，產(chǎn)生了較大隆起，最大隆起值達(dá)到23.4 mm；對應(yīng)地表沉降也逐漸增大，最大增幅為7.5 mm，位于導(dǎo)洞的正上方，該部位開挖是隧道整個(gè)施工過程的關(guān)鍵部分，對隧道安全和穩(wěn)定性影響很大，需要加強(qiáng)監(jiān)測，及時(shí)調(diào)整支護(hù)，保證隧道安全施工。④ 中下導(dǎo)洞開挖后（圖3（d）），隧道形成一個(gè)封閉的開挖面，豎向位移沿隧道中心線呈對稱分布，沉降趨于穩(wěn)定，洞內(nèi)沉降值為16.7 mm，而地表沉降形成以隧道中心線為最大沉降值（10.2 mm）的沉降曲線，符合Peck沉降規(guī)律［23］。

3.2 水平向位移分析

隧道開挖引起的圍巖水平（X方向）位移如圖4所示。① 左上導(dǎo)洞開挖后（圖4（a）），左側(cè)初期支護(hù)和右側(cè)臨時(shí)支護(hù)都向洞內(nèi)擠壓，水平位移呈現(xiàn)對稱分布，最大值為3 mm，擾動(dòng)影響較小。② 右上導(dǎo)洞開挖后（圖4（b）），對所開挖的導(dǎo)洞右側(cè)拱腰外側(cè)土體產(chǎn)生一定范圍的擾動(dòng)，對左側(cè)導(dǎo)洞的水平變形影響明顯，水平最大位移增加到6.5 mm左右。③ 中上導(dǎo)洞開挖后（圖4（c）），整個(gè)隧道上方形成一個(gè)無土體支撐的狀態(tài)［15］，該階段水平位移變化最為明顯，位移增加到了4.4 mm左右，在較大豎向壓力的作用下，兩側(cè)拱腰的水平位移向外發(fā)展擠壓，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測。④ 中下導(dǎo)洞開挖后（圖4（d）），整個(gè)隧道形成一個(gè)封閉的大空間，由于初期支護(hù)對圍巖的水平變形影響不大，拱腰最大水平位移為4.4 mm左右，可見整個(gè)隧道的開挖過程中，對安全有關(guān)鍵影響的是中上導(dǎo)洞的開挖。

3.3 應(yīng)力分析

隧道開挖引起的Y方向圍巖應(yīng)力（此處只考慮豎向應(yīng)力）如圖5所示。① 左上導(dǎo)洞開挖后（圖5（a）），臨時(shí)橫向支撐與左側(cè)拱腰連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中，但應(yīng)力變化不大。② 右上導(dǎo)洞開挖后（圖5（b）），隧道圍巖應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移到右側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)橫向支撐與右側(cè)拱腰連接處，變化幅度不大。③ 中上導(dǎo)洞開挖后（圖5（c）），中隔壁與拱頂、仰拱連接處應(yīng)力集中明顯，形成的應(yīng)力場沿隧道中心線呈近似對稱分布，由于導(dǎo)洞的開挖，圍巖應(yīng)力釋放，應(yīng)力處于減弱的發(fā)展趨勢。④ 中下導(dǎo)洞開挖對整個(gè)隧道的應(yīng)力影響不大，僅在底部產(chǎn)生一定的應(yīng)力變化，見圖5（d）。

3.4 支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩分析

隧道開挖引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩變化如圖6所示。① 左上導(dǎo)洞開挖后（圖6（a）），臨時(shí)支護(hù)和初期支護(hù)連接的位置都出現(xiàn)了較大的彎矩，其中產(chǎn)生彎矩最大（319.03 kN·m）的位置位于臨時(shí)橫撐與左側(cè)支護(hù)連接處。② 右上導(dǎo)洞開挖后（圖6（b）），產(chǎn)生的彎矩與左上導(dǎo)洞開挖后的彎矩相似，在臨時(shí)橫撐與左側(cè)支護(hù)連接處彎矩最大。③ 中上導(dǎo)洞開挖后（圖6（c）），隧道上部失去了土體的支撐，上部圍巖對支護(hù)結(jié)構(gòu)作用產(chǎn)生的彎矩大幅度增加，最大彎矩（342.03 kN·m）的位置位于中導(dǎo)洞左側(cè)豎向臨時(shí)支撐與初期支護(hù)連接處。④ 中下導(dǎo)洞開挖后（圖6（d）），整個(gè)隧道內(nèi)部形成一個(gè)閉合的空間，此時(shí)最大彎矩（387.84 kN·m）產(chǎn)生的位置位于豎向支撐與仰拱連接處。

4 監(jiān)測成果及分析

4.1 地表沉降分析

根據(jù)隧道開挖方向，選取K1+200斷面地表的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行沉降變化規(guī)律分析。由圖7可知：① 地表沉降變化最大的監(jiān)測點(diǎn)為靠近左導(dǎo)洞開挖面的1200-Y9監(jiān)測點(diǎn)，地表沉降變化速率隨與開挖面距離呈負(fù)相關(guān)，距開挖面越近，地表沉降變化速率越大；② 橫斷面沉降曲線并非為對稱隧道中線的沉降曲線，而是偏向隧道中線左側(cè)的V形分布，這是因?yàn)樽髮?dǎo)洞先進(jìn)行開挖，因此其他導(dǎo)洞的開挖都會(huì)對左導(dǎo)洞地表沉降產(chǎn)生一定影響，沉降值不斷累積，導(dǎo)致沉降槽曲線不對稱。

4.2 拱頂沉降分析

根據(jù)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工特點(diǎn)，每個(gè)斷面布置3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。本文主要對兩個(gè)側(cè)拱頂點(diǎn)進(jìn)行研究。選取的斷面為左上導(dǎo)洞K1+200、K1+205和右上導(dǎo)洞K1+200、K1+205。圖8為兩個(gè)導(dǎo)洞拱頂下沉?xí)r程曲線。4個(gè)拱頂點(diǎn)開挖的順序依次是GD1205-2，GD1200-2，GD1205-3，GD1200-3，其中GD1205-2沉降值最大。開挖該點(diǎn)之后，該點(diǎn)在10 d內(nèi)的拱頂沉降速率較大，15 d之后，拱頂沉降速率開始減緩，其拱頂下沉速率主要為-1.0～0.0 mm/d，說明開挖面已經(jīng)遠(yuǎn)離該點(diǎn)逐漸趨于穩(wěn)定。開挖的順序?qū)ψ畲蟪两档奈恢糜幸欢ǖ挠绊?，后開挖導(dǎo)洞會(huì)對先開挖導(dǎo)洞的拱頂下沉產(chǎn)生影響，因?yàn)殚_挖導(dǎo)洞會(huì)對土體產(chǎn)生擾動(dòng)，造成荷載重新分布，增加先開挖導(dǎo)洞附近的荷載而產(chǎn)生二次沉降。

5 討 論

5.1 地表沉降對比

選取地表K1+200斷面，得到地表沉降實(shí)測值和模擬值的數(shù)據(jù)對比結(jié)果見表3。由表3可知：地表監(jiān)測實(shí)測值總體上大于有限元模擬值，兩者的差值在12%～19%。數(shù)值計(jì)算中，沒考慮開挖過程中地下水、滯留水和地面運(yùn)動(dòng)荷載對隧道的影響，是造成數(shù)值結(jié)果整體偏小的主要原因，與相關(guān)研究［23］得到相同的規(guī)律。數(shù)值結(jié)果中沉降最大值的位置是一致的，監(jiān)測點(diǎn)沉降值從隧道中心線向兩側(cè)變化的趨勢也是一致的，都符合Peck沉降理論（即沉降槽），這說明監(jiān)測實(shí)測值與模擬值具有相似性。

5.2 拱頂下沉對比

選取K1+205斷面，得到拱頂下沉實(shí)測值和模擬值的數(shù)據(jù)對比結(jié)果見表4。由表4可知，監(jiān)測實(shí)測點(diǎn)整體上比模擬值偏小，但變化規(guī)律基本一致，拱頂下沉最大點(diǎn)的位置也一致；后開挖導(dǎo)洞會(huì)對先開挖導(dǎo)洞的下沉有一定影響?，F(xiàn)場監(jiān)測實(shí)測點(diǎn)小于模擬值的原因是現(xiàn)場的監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)存在滯后現(xiàn)象，不能得到初始的下沉值。

6 結(jié) 論

（1） 中上導(dǎo)洞開挖時(shí)，圍巖位移、應(yīng)力和支護(hù)內(nèi)力變化占整個(gè)導(dǎo)洞開挖的50%，控制該階段隧道穩(wěn)定性是保障施工安全的關(guān)鍵，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測和及時(shí)調(diào)整支護(hù)，以提高隧道安全系數(shù)。

（2） 地表沉降和拱頂下沉最大的位置均出現(xiàn)在最先開挖導(dǎo)洞附近，選擇合理的開挖順序?qū)\埋隧道的穩(wěn)定性具有重要影響。

（3） 經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測，地表沉降和拱頂下沉實(shí)測值與數(shù)值模擬結(jié)果比較吻合，驗(yàn)證了本文數(shù)值分析的可行性。

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（編輯：高小雲(yún)）

Numerical simulation study on construction method of double side-wall diversion for shallow buried tunnels

XU Yunming1，OUYANG Wenli2，CHEN Weichao3

（1.Department of Architectural Engineering，Hunan Urban Construction College，Xiangtan 411104，China； 2.Hunan Construction Senior Technical School，Changsha 410015，China； 3.Hunan No.4 Engineering Co.，Ltd.，Changsha 410119，China）

Abstract：

In order to properly estimate the surrounding rock stability in the building process of shallow buried tunnel，we used ANSYS finite element numerical analysis software to conduct numerical simulation of double-side diversion method construction of shallow buried tunnel in the section of Shenyang Metro Line 10，and analyzed the mechanical features and deformation law of shallow buried tunnel construction process.The results showed that after excavating the upper guide tunnel，the displacement，stress，and internal force of the surrounding rock and supporting structure increased dramatically，accounting for 50% of the total guide tunnel excavation，and the highest displacement，stress，and bending moment of the supporting structure concentrated on the weak connection of the arch and the initial support.The increase in surface settlement over time slowed down and reached a stable state after 90 days after excavation.The settlement increased with the distance from the excavation surface，and the maximum settlement point was at the middle and upper guide tunnels where the dug was out first.The vault subsidence sinks rapidly within 10 days of tunnel excavation and then the subsidence rate gradually reduced as the excavation face moved away from the monitoring site.The vault settlement was greatly influenced by the excavation order，and the vault settlement was typically highest at the initial excavation site.The on-site monitoring results showed that the numerical analysis in the study was reasonable based on the field monitoring data，which was in good agreement with the numerical calculation.The results can provide a reference for the safety and economics of shallow buried tunnel construction.

Key words：

shallow buried tunnel； double-sidewall diversion method； mechanical characteristics； numerical simulation； on-site monitoring； Shenyang Metro