青島地鐵上軟下硬巖層區(qū)間隧道斷面設(shè)計(jì)優(yōu)化

劉鵬 王沖

青島地鐵上軟下硬巖層區(qū)間隧道斷面設(shè)計(jì)優(yōu)化

劉鵬 王沖

（中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，300133，天津//第一作者，高級(jí)工程師）

以青島地鐵3號(hào)線(xiàn)寧夏路站—敦化路站化區(qū)間隧道上軟下硬巖層段為工程背景，利用數(shù)值模擬對(duì)三種斷面隧道施工沉降、襯砌結(jié)構(gòu)受力、塑性區(qū)分布、斷面開(kāi)挖面積和配筋面積的變化規(guī)律進(jìn)行研究，并結(jié)合模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)隧道開(kāi)挖斷面進(jìn)行綜合優(yōu)化。研究結(jié)果表明：拱部削尖馬蹄形斷面能保證隧道施工安全，且斷面配筋面積最小，經(jīng)綜合考慮隧道施工的安全性與經(jīng)濟(jì)性，為最優(yōu)斷面方案。

地鐵；上軟下硬巖層；隧道施工；斷面優(yōu)化

AbstractIn the engineering background of the interval tunnel between Ningxia Rd.Station and Dunhua Rd.Station on Qingdao metro Line 3，which crosses the upper-soft lowerhard rock stratum,the variation regularity of construction settlement，force of lining structure，plastic zone distribution，excavation section area，steel bars area in the engineering of 3 sections are studied by using numerical simulation,and the comprehensive optimization of tunnel excavation section is studied by combining the simulation result with the field monitoring data.This research shows that construction safety could be guaranteed with the minimum steel bars area by taking arch sharpening horseshoe section,which is confirmed as the optimal section in terms of construction safety and economy.

Key wordsmetro； upper-soft lower-hard rock stratum；tunnel construction；section optimization

Author′s addressChina Railway Tunnel Survey and Design Institute Co.，Ltd.，300133，Tianjin，China

國(guó)內(nèi)地鐵隧道主要采用礦山法和盾構(gòu)法施工，其斷面形式以復(fù)合式馬蹄形斷面和圓形斷面為主［1］。盾構(gòu)法施工的地鐵區(qū)間隧道在施工安全性及地層沉降控制等方面有優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已逐漸成為城市地鐵區(qū)間建造的首選方法［2］。而在面對(duì)不良地質(zhì)和復(fù)雜地層時(shí)，礦山法的適應(yīng)性更強(qiáng)、更靈活、技術(shù)措施更成熟，仍然是重要的施工方法。

目前，礦山法修建的地鐵隧道斷面多沿用復(fù)合式馬蹄形斷面。設(shè)計(jì)人員也對(duì)斷面幾何形狀、結(jié)構(gòu)受力、開(kāi)挖地表沉降規(guī)律等方面開(kāi)展了許多有益的研究。文獻(xiàn)［3］等對(duì)北京地鐵淺埋暗挖區(qū)間隧道采用馬蹄形斷面施工時(shí)的隧道塌陷機(jī)理進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明，淺埋隧道的破裂角與隧道的覆跨比、矢跨比有關(guān)，且比 45°+ φ/2大 10°～15°（φ 為內(nèi)摩擦角）。文獻(xiàn)［4］對(duì)下穿既有公路的超淺埋小間距偏壓隧道進(jìn)行了仿真模擬研究，通過(guò)分析隧道的變形規(guī)律、應(yīng)力分布及中隔墻和襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征，得出襯砌結(jié)構(gòu)采用不對(duì)稱(chēng)幾何形狀設(shè)計(jì)比較有效的結(jié)論。文獻(xiàn)［5-7］對(duì)淺埋暗挖地鐵區(qū)間隧道開(kāi)挖引起地表沉降規(guī)律進(jìn)行研究，得到地表沉降變形規(guī)律，并提出相應(yīng)控制措施。

上述研究多針對(duì)位于土層中的礦山法隧道施工，而在青島地區(qū)，地鐵隧道常常處于土巖分界、風(fēng)化巖與微風(fēng)化巖交界等上軟下硬巖層中，其隧道斷面結(jié)構(gòu)受力及地層沉降具有一定特性，隧道斷面形式也具有一定的可優(yōu)化空間。

本文結(jié)合青島地鐵3號(hào)線(xiàn)寧夏路站——敦化路站（以下簡(jiǎn)為“寧化”）區(qū)間隧道，以理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為手段，對(duì)上軟下硬巖層區(qū)間隧道斷面形式進(jìn)行優(yōu)化分析。研究成果可為今后類(lèi)似礦山法施工的隧道斷面選擇提供借鑒和參考。

1 區(qū)間隧道斷面選取

1.1 工程簡(jiǎn)介

青島地鐵3號(hào)線(xiàn)寧化區(qū)間隧道為左右線(xiàn)單洞單線(xiàn)隧道，采用礦山法施工。區(qū)間隧道起始于寧夏路與南京路交叉口南側(cè)，至延吉路與南京路交叉口北側(cè)與敦化路站連接，全長(zhǎng)621.89 m，起止里程為K9+516.979～K10+138.867。寧化區(qū)間隧道埋深多為10～15 m，地層巖性如圖1所示。隧道主要穿過(guò)三類(lèi)地層：第一類(lèi)為強(qiáng)或中風(fēng)化花崗巖層；第二類(lèi)隧道拱頂部為強(qiáng)、中風(fēng)化花崗巖層，下部為微風(fēng)化花崗巖層；第三類(lèi)為微風(fēng)化花崗巖層。目前對(duì)于第一類(lèi)巖層的研究已相當(dāng)豐富，而第三類(lèi)巖層由于地質(zhì)條件較好，可研究性較小。因此本文對(duì)著重青島地區(qū)普遍存在的第二類(lèi)巖層進(jìn)行研究。

第二類(lèi)地層為上軟下硬巖層，圍巖等級(jí)為Ⅲ～Ⅳ級(jí)。不同圍巖等級(jí)下隧道支護(hù)參數(shù)如表1所示。

1.2 斷面選取

圖1 區(qū)間隧道地層巖性及厚度

表1 各級(jí)圍巖下隧道主要支護(hù)參數(shù)

區(qū)間隧道斷面設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮區(qū)間隧道的建筑限界、結(jié)構(gòu)受力變形以及施工經(jīng)濟(jì)性等因素。結(jié)合寧化區(qū)間隧道地層巖性，并參照國(guó)內(nèi)不同隧道的斷面形式，對(duì)寧化區(qū)間隧道提出3種開(kāi)挖斷面方案：①斷面一為馬蹄形斷面，該類(lèi)斷面為區(qū)間隧道應(yīng)用最廣的斷面形式，在北京、武漢、廣州等城市廣泛應(yīng)用［8-9］，在寧化區(qū)間實(shí)際施工中同樣采取該類(lèi)斷面；②斷面二為拱部削尖馬蹄形斷面，該類(lèi)斷面是在馬蹄形斷面的基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化斷面，廣泛應(yīng)用于穿山鐵路及公路隧道中；③斷面三為直墻半圓拱形斷面，該類(lèi)斷面在地下人防洞室及巷道中應(yīng)用較多。考慮設(shè)備運(yùn)輸及地鐵過(guò)線(xiàn)的需要，各類(lèi)隧道斷面尺寸如圖2所示。

圖2 各類(lèi)隧道斷面形狀及尺寸

2 各類(lèi)隧道斷面方案數(shù)值模擬分析

圍巖級(jí)別按Ⅳ類(lèi)選取，對(duì)各類(lèi)隧道斷面方案進(jìn)行模擬分析。隧道拱頂埋深統(tǒng)一取15 m。

2.1 模型建立

通過(guò)ANSYS軟件建立三維數(shù)值模型，結(jié)合ANSYS和FLAC3D軟件進(jìn)行隧道開(kāi)挖模擬計(jì)算。在均質(zhì)彈性隧道中，由隧道開(kāi)挖引起的隧道圍巖應(yīng)力及位移變化在5倍隧道直徑范圍內(nèi)小于1%，在3倍隧道直徑范圍內(nèi)小于5%［10］。因此，在模擬計(jì)算中，以?xún)善叫兴淼赖闹芯€(xiàn)與隧道拱底連線(xiàn)交點(diǎn)為原點(diǎn)，左右各取40 m，向下取約30 m，向上取至地表，建立模型。模型尺寸為100 m（長(zhǎng)）×80 m（寬）×50 m（高），如圖3所示。模型邊界條件為：上部采用自由約束，底部為固定約束，四周設(shè)置滾軸約束。隧道圍巖服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，初期支護(hù)、二次襯砌采用實(shí)體彈性模型，超前支護(hù)通過(guò)提高其圍巖加固區(qū)參數(shù)來(lái)模擬，錨桿采用cable單元。

圖3 拱部削尖馬蹄形隧道計(jì)算模型

左右線(xiàn)隧道中心線(xiàn)間距為14 m。開(kāi)挖時(shí)左右隧道相互擾動(dòng)，為減小模擬計(jì)算誤差，模擬開(kāi)挖嚴(yán)格按照現(xiàn)場(chǎng)施工步序進(jìn)行，即雙線(xiàn)隧道交錯(cuò)開(kāi)挖，開(kāi)挖間距為20 m，右線(xiàn)在前，雙線(xiàn)同步施工。隧道開(kāi)挖時(shí)，首先開(kāi)挖上層臺(tái)階，施工初支及錨桿，然后開(kāi)挖下部臺(tái)階，最后進(jìn)行二襯支護(hù)。各地層及支護(hù)參數(shù)如表2所示。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 變形分析

2.2.1.1 地表沉降

不同斷面隧道開(kāi)挖引起的地表沉降曲線(xiàn)如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，隧道地表沉降對(duì)兩隧道中心線(xiàn)呈對(duì)稱(chēng)分布，且越遠(yuǎn)離兩隧道中心線(xiàn)地表沉降越小，最終趨向于0。各斷面的隧道中心線(xiàn)地表沉降值分別為-9.6mm、-7.9mm和-14.5mm。這說(shuō)明當(dāng)隧道穿越上軟下硬地層時(shí)，削尖馬蹄形斷面的隧道地表沉降最小，馬蹄形斷面隧道次之，半圓直墻拱形斷面隧道的地表沉降最大。

表2 地層及支護(hù)參數(shù)

圖4 不同斷面隧道地表沉降曲線(xiàn)

2.2.1.2 隧道圍巖位移

由于篇幅所限，現(xiàn)給出斷面二的位移云圖，如圖5和圖6所示。由圖5可知，兩區(qū)間隧道沉降量最大值出現(xiàn)在拱頂處；由于左右隧道交錯(cuò)開(kāi)挖，先開(kāi)挖的右線(xiàn)隧道受左線(xiàn)隧道開(kāi)挖的再次擾動(dòng)，故右線(xiàn)隧道沉降量比左線(xiàn)隧道稍大，右線(xiàn)隧道最大沉降量為-11.73 mm，左線(xiàn)隧道最大沉降量為-10.24 mm；隧道出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，但底鼓量較小，最大值為2.3 mm。可見(jiàn)馬蹄形隧道對(duì)抑制隧道底板隆起有較好效果。由圖6可知，隧道水平位移最大值約為5 mm，發(fā)生在隧道拱肩上方；隧道兩幫移近量約為7.2 mm。

由圖5～圖6可知，右線(xiàn)隧道拱頂沉降相對(duì)于左線(xiàn)稍大，且隧道水平位移較小，遠(yuǎn)小于規(guī)范中的警戒值。為此對(duì)隧道右線(xiàn)拱頂沉降規(guī)律進(jìn)行分析，不同斷面右線(xiàn)隧道拱頂沉降曲線(xiàn)如圖7所示。

由圖7可知，隧道開(kāi)挖拱頂沉降大致可分為3個(gè)階段：①第一階段為隧道未開(kāi)挖到監(jiān)測(cè)記錄點(diǎn)的初始影響階段：該階段沉降是由前面隧道開(kāi)挖對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面擾動(dòng)引起的，由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面未開(kāi)挖，圍巖穩(wěn)定性較好，該階段變形較小。②第二階段為開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)記錄點(diǎn)的快速變形階段：該階段由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)掌子面的開(kāi)挖，圍巖應(yīng)力重分布，故隧道有變形大且變形快的特點(diǎn)。③第三階段為左線(xiàn)隧道開(kāi)挖引起的再次變形階段：該階段右線(xiàn)隧道受左線(xiàn)隧道開(kāi)挖擾動(dòng)的影響，圍巖發(fā)生再次擾動(dòng)，由于右線(xiàn)隧道初期支護(hù)已施工完成，故該階段隧道變形相對(duì)較小。

圖5 斷面二豎向位移云圖

圖6 斷面二水平位移云圖

圖7 各斷面右線(xiàn)隧道拱頂累積沉降

圖8 斷面一襯砌受力分布圖

當(dāng)隧道穿過(guò)上軟下硬巖層時(shí)，各斷面隧道開(kāi)挖對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始影響距離均約為14 m。各斷面隧道在不同沉降階段的沉降量見(jiàn)表3。

表3 不同斷面隧道的沉降情況

綜上可知，隧道斷面形狀對(duì)隧道開(kāi)挖初始影響距離有一定影響，但影響較小；削尖馬蹄形斷面對(duì)隧道拱頂沉降的控制較好。

2.2.2 襯砌內(nèi)力分析

圖8和圖9分別為斷面一和斷面二的襯砌受力分布云圖。可以看出，斷面一的襯砌最大軸力出現(xiàn)在拱腳處，最大彎矩出現(xiàn)在拱頂及拱肩處。對(duì)于上部結(jié)構(gòu)處于軟弱圍巖的隧道，拱頂和拱肩受力過(guò)大，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定不利。斷面二的襯砌最大軸力出現(xiàn)在拱腰和拱腳處，最大彎矩出現(xiàn)在拱腳處，且在拱頂處未出現(xiàn)受力集中。對(duì)處于上軟下硬巖層中的隧道而言，斷面二更有利于維持隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定。各類(lèi)斷面隧道襯砌最大軸力和彎矩如表4所示。

圖9 斷面二襯砌受力分布圖

表4 各類(lèi)斷面隧道襯砌受力最大值

2.2.3 塑性區(qū)分析

圖10為不同斷面隧道的塑性區(qū)分布云圖。三種斷面隧道塑性區(qū)主要分布在拱頂及拱肩處，隧道下部斷面基本處于彈性狀態(tài)。這是因?yàn)樗淼老虏繑嗝嫣幱谖L(fēng)化巖層中，其巖體風(fēng)化程度低，強(qiáng)度高。在馬蹄形隧道和直墻半圓拱形隧道的拱頂和拱肩部位部分圍巖處于塑性流動(dòng)狀態(tài)，這對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及長(zhǎng)期穩(wěn)定不利。削尖的馬蹄形隧道由于特殊的拱頂結(jié)構(gòu)，能將拱部壓力較好地傳遞到下部較硬巖層之中，利于隧道上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，其塑性區(qū)范圍明顯小于其它兩種斷面。

圖10 不同斷面塑性區(qū)分布

2.2.4 斷面利用率及配筋分析

（1）不同隧道斷面開(kāi)挖石方量不同、襯砌配筋不同，最終隧道施工耗資不同。在隧道安全施工的前提下合適的斷面可保證隧道施工的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)各斷面的設(shè)計(jì)尺寸，可得到隧道斷面一、二、三的開(kāi)挖面積依次為28.7 m2、29.2 m2和32.4 m2。其中，馬蹄形斷面利用率最高，直墻半圓拱形斷面利用率最低。

（2）襯砌配筋影響隧道結(jié)構(gòu)的安全。襯砌配筋不足會(huì)導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)承載力降低，容易引起襯砌混凝土的開(kāi)裂，不利于結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全。不同斷面隧道襯砌應(yīng)力不同，所需配筋量不同。寧化區(qū)間隧道二次襯砌厚度為300 mm。根據(jù)模擬計(jì)算襯砌所受軸力與彎矩，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算，并按裂縫控制驗(yàn)算，得到斷面一、二、三的配筋面積依次為1 800 mm2，1 050 mm2和 1 650 mm2。

綜上可知，當(dāng)隧道采用拱部削尖馬蹄形斷面方案開(kāi)挖時(shí)，其地表沉降、拱頂下沉、塑性區(qū)面積和配筋量均小于其它兩個(gè)方案。綜合考慮隧道穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性，青島上軟下硬巖層的隧道應(yīng)選擇拱部削尖馬蹄形斷面。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要參數(shù)資料，不僅能反映隧道結(jié)構(gòu)的安全性，同時(shí)也是檢驗(yàn)本文優(yōu)化分析正確與否的重要依據(jù)。由于工期安排，寧化區(qū)間上軟下硬巖層地段仍采用原馬蹄形斷面。當(dāng)初期支護(hù)完成，各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后，變形較大的馬蹄形斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，整理結(jié)果如表5所示。

表5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表

由表5可知，隧道變形最大值出現(xiàn)在K9+852處。該處地表最大沉降為11.3 mm，拱頂最大沉降為16.7 mm，兩幫收斂量為10.2 mm。可見(jiàn)，隧道變形均在警戒值范圍內(nèi)，錨桿軸力也未達(dá)到抗拉極限。這說(shuō)明當(dāng)支護(hù)選擇合理時(shí)，隧道采用馬蹄形斷面可保證隧道的安全施工。

圖11 地表與拱頂沉降實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比曲線(xiàn)

圖11 為K9+852處的地表及拱頂沉降與數(shù)值模擬對(duì)比曲線(xiàn)。由于現(xiàn)場(chǎng)施工中的支護(hù)滯后，監(jiān)測(cè)結(jié)果略大于模擬結(jié)果。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算中的馬蹄形斷面數(shù)據(jù)相吻合，證明了數(shù)值計(jì)算的正確性；而數(shù)值計(jì)算顯示拱部削尖馬蹄形斷面在上軟下硬地層中較一般馬蹄形斷面具有優(yōu)越性。這進(jìn)而說(shuō)明了斷面方案的綜合穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性，故在上軟下硬地層中選用拱部削尖馬蹄形斷面為最佳方案。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)青島地鐵上軟下硬的地層特性，選定馬蹄形斷面、削尖馬蹄形斷面和直墻半圓拱形斷面作為隧道開(kāi)挖斷面方案進(jìn)行分析。

（2）由模擬分析可知，隧道開(kāi)挖拱頂沉降大致可分為隧道未開(kāi)挖到監(jiān)測(cè)記錄點(diǎn)的初始影響階段、開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)記錄點(diǎn)的快速變形階段和左線(xiàn)隧道開(kāi)挖引起的再次變形階段。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)拱部削尖馬蹄形斷面的各階段控制效果最好。

（3）結(jié)合區(qū)間隧道的安全性和經(jīng)濟(jì)性，綜合考慮隧道開(kāi)挖面積、地表和拱頂沉降、襯砌所受彎矩和軸力、塑性區(qū)面積和配筋面積等因素，對(duì)隧道斷面進(jìn)行優(yōu)化選取，將安全性和經(jīng)濟(jì)性作為控制標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)相驗(yàn)證，最終得出拱部削尖馬蹄形斷面為最優(yōu)方案。

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Design Optimization of Metro Tunnel Section in Uppersoft Lower-hard Stratum in Qingdao City

LIU Peng，WANG Chong

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2016-11-03）