暗挖黃土隧道圍巖與支護結構相互作用分析

呂 杰 白 鶴

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

暗挖黃土隧道圍巖與支護結構相互作用分析

呂 杰 白 鶴

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

以西安地鐵三號線某區間暗挖隧道為工程依托，通過數值模擬分析與收斂監測相結合的方式，研究了隧道圍巖壓力隨著開挖過程的變化，分析了隧道支護結構受力特性，結果表明，隨著隧道的開挖，圍巖應力逐漸釋放，圍巖的最大接觸壓力逐步由上向下轉移，并且不是完全對稱分布的。拱腰處受力往往最大，在隧道設計及施工中應予以高度重視，對支護結構進行加強設計或采取其他安全措施。

地鐵，暗挖隧道，圍巖應力，數值模擬，收斂監測

0 引言

在黃土地層中運用暗挖法進行隧道施工存在著極大的風險，主要是由于黃土本身的不良工程性質決定的，再加之施工技術、支護結構以及工序轉換的不同使得在暗挖黃土隧道施工過程中存在了更多潛在風險。對掌子面逐步進行開挖，圍巖被擾動，應力重分布，使得圍巖與支護結構相互作用發生變化，支護結構受力最大之處便是整個隧道最薄弱部位，將會嚴重影響隧道圍巖的穩定性和施工安全。本文依托西安地鐵三號線某區間暗挖隧道工程，運用數值模擬方法分析圍巖與支護結構相互作用特性并結合隧道結構位移實測數據，對隧道在開挖過程中的受力及變形特點進行分析研究，得出了隧道圍巖應力分布與施工過程的關系，并結合實測的隧道支護結構收斂變形數據分析出了隧道開挖過程中的最不利工況，淺析了整個隧道施工過程的穩定性，為今后的研究及工程應用提供研究思路。

1 工程概況

1.1 工程概述

西安地鐵三號線某區間敷設于位于西安市東二環金花南路正下方，總長度954.931 m，斷面形式為雙線單洞暗挖隧道，隧道凈寬10.1 m，高10.3 m。隧道位于黃土地層，埋深為9.6 m～12.8 m。

1.2 場地工程地質

表1 地層物理力學參數表

2 施工過程數值模擬

2.1 工程概述

本文采用ANSYS有限元軟件模擬CRD工法隧道開挖過程，分析各施工狀態下圍巖與支護結構的相互作用關系以及圍巖應力分布規律，進而得出在暗挖隧道整個施工過程中的薄弱環節，指導隧道結構設計，增加安全措施以提高整個隧道穩定性。

模型邊界為3倍洞徑范圍內土體，將周圍土體簡化為各向同性的連續介質，其力學特性采用D-P本構模型(見圖1)。

2.2 結果分析

區間暗挖隧道采用CRD法施工，開挖步序為右上導洞→右下導洞→左上導洞→左下導洞。對這一過程進行數值模擬分析，從而對整個施工過程中圍巖與支護結構的相互作用進行分析。

1)分析結果表明，右上導洞開挖以后隨著圍巖壓力的釋放，初支開始發揮作用，拱腳處背土側位置出現最大應力，約為13 MPa，而拱頂處應力值遠小于右上導洞拱腳處，由拱頂到拱腳處逐漸增大。

2)隨著右下導洞開挖，右半環初支閉合，圍巖應力進一步釋放，在上下導洞節點處的背土側應力最大，圍巖側土壓力對支護結構的作用明顯，隨著臨時橫撐及中隔壁架設，抵消了部分拱腰節點處的應力，此時最大應力約為15 MPa。

3)左上導洞開挖后，出現了與右上導洞類似的受力特點，最大應力出現在左上導洞拱腳位置，其次分布在右導洞拱腰處，由于右側臨時支撐結構已架設，能夠抵消部分圍巖壓力，所以比左側拱腳處應力值略小，而分布趨勢還是由拱頂和拱底兩端向中間逐漸增大，而且拱頂處出現了偏壓狀態。

4)左下導洞開挖后，初支結構封閉，在左側上下導洞節點處應力值最大，在臨時支撐架設之后應力值減小。整個初支應力分布呈現由上下向中間遞增。

3 收斂監測數據分析

3.1 監測目的及內容

初支結構能夠承擔隧道開挖之后的圍巖壓力，受力后初支發生的變形情況在一定程度上能反映出其所處的應力狀態，所以在整個開挖過程中對初支結構進行收斂變形監測，通過數據對圍巖與初支的相互作用進行分析。選取該區間隧道三處斷面進行收斂變形監測，讀取斷面前方1 m處掌子面開挖后隧道的拱頂沉降和凈空位移收斂值，分析隧道初支在各個施工部序下的變形趨勢，進而反映出圍巖與支護結構的相互作用關系。

3.2 數據結果分析

由于CRD工法每個導洞開挖要滿足一定的步距要求，為了與平面二維數值分析相匹配，可認為當掌子面開挖遠離監測斷面之后，由于支護結構及時施作，加之應力完全釋放，對監測斷面處的收斂變形影響將越來越小，即本文不考慮隧道的縱向開挖對于平面監測的影響。

拱頂沉降監測結果見圖2，水平收斂監測結果見圖3。

根據收斂監測數據顯示，在開挖影響范圍內的斷面拱頂沉降值和水平位移值均隨著隧道開挖而增加。特別是右下導洞開挖和左下導洞開挖時，由于支護結構閉合滯后，沉降和水平位移速率更大，這與數值分析吻合。

4 結語

1)隧道開挖后引起圍巖應力重分布，拱腳處受力往往很大。拱頂處由于壓力拱效應的存在，同時黃土圍巖自身穩定性較好，拱頂處所受壓力較小。拱頂的沉降速率不大。

2)下導洞開挖后拱腰節點處受力進一步增大，臨時支護結構發揮了重要作用，此部位的設計應注意采取加強措施并在施工中應密切注意。支護結構閉合以前，在圍巖壓力作用下會產生較大的水平側向位移和沉降而且速率較大，通過收斂監測結果也得到證實。

3)整個支護結構閉合后圍巖壓力逐步趨于穩定，分布大致呈現了由上下向中間逐漸增大的應力分布趨勢，拱頂處應力遠小于拱腰處，圍巖應力呈現出“偏壓”效果。拱頂沉降和水平位移速率趨于平緩。

4)通過本文的研究，表明黃土圍巖隧道在開挖過程中，支護結構及時施作并輔以臨時支撐能夠保證較小的隧道收斂變形，由于黃土的力學性質較好，圍巖自身穩定性高，應力釋放后施加在支護結構上導致的拱頂沉降和水平位移在開挖影響范圍以內較顯著，此時要尤為注意盡早閉合支護結構。節點處的連接質量很大程度上影響了支護結構在后續開挖部序的變形，通過數值模擬和監測數據都能良好的反映。

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On mutual effect of underground excavation loess tunnel surrounding rock and support structures

Lv Jie Bai He

(ChinaRailwayTunnelSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Tianjin300133,China)

Taking the underground excavation tunnel of some section along No.3 Metro in Xi’an as the example, the paper researches the changes of the tunnel surrounding rock pressure in the excavation process according to the numeric simulation analysis and convergence monitoring, analyzes the stressed features of the tunnel support structure, proves by the result that the surrounding rock stress is released gradually and its maximum contact pressure alters from top side to the lower position with incomplete symmetric distribution in the tunnel excavation, and proves that the maximum of the haunch stress should be stressed in the tunnel design and construction, so the design for the support structure should be enhanced or other safety measures be adopted.

subway, underground excavation tunnel, surrounding rock stress, numeric simulation, convergence monitoring

2015-04-21

呂 杰(1987- )，男，助理工程師； 白 鶴(1987- )，男，碩士，助理工程師

1009-6825(2015)19-0181-02

U451

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