合肥膨脹土地層淺埋雙洞地鐵隧道施工參數優化研究

陳煒韜， 董宇蒼， 方 霖， 于 麗， 舒東利

(1. 中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072； 2. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031； 3. 中國中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

合肥市作為華東地區重要的交通樞紐，正處在地鐵建設快速發展時期。然而在地鐵建設過程中，遇到了如合肥地區膨脹土地層、地鐵近接施工對周邊結構安全性影響大等眾多難題。膨脹土地層具有顯著的吸水膨脹、失水收縮的變形特性，在膨脹、收縮變形過程中，能產生較高的膨脹力，如果在隧道施工期間沒有采取適當的加固措施，可能會引起圍巖膨脹坍塌、隧道底鼓、襯砌開裂等危害[1-2]； 城市地鐵施工地質條件本身就極為復雜，加上近接施工容易對圍巖造成過度擾動，使圍巖狀況更為不利[3-4]，若施工不當，極易造成地表沉降過大、隧道結構失穩，甚至會造成坍塌事故[5]。

目前，國內外較多學者已對膨脹土地層、隧道近接施工等問題進行了研究，文獻[6-8]研究了膨脹土的膨脹機制，建立了雙電層理論與滲透理論； 繆林昌[9]提出了引入飽和度參數的非飽和土彈塑性本構模型; 徐永福[10-11]提出了非飽和膨脹土結構性凝聚力和結構性內摩擦角的概念，并給出了彈塑性本構模型； 晁峰等[12]通過研究特定地區膨脹附加應力場對深基坑土壓力的影響，得出在計算深基坑結構時，附加膨脹土壓力的量值考慮為34.2 kPa； 畢維紅等[13]采用ABAQUS數值軟件對深圳軌道交通二期1號線隧道工程進行模擬，研究了開挖右線隧道對左線既有隧道圍巖應力分布、地表沉降、隧道襯砌應力變形等的影響； 李斯海[14]采用數值模擬手段對廈門仙岳山雙孔小凈距隧道施工過程進行研究，得出隨著中柱間距減小，圍巖穩定性變差，襯砌結構所受荷載增加，結構面臨失穩風險的結論。

通過對國內外研究成果調研可知，對膨脹土的研究大多集中于膨脹機制、特性方面，對于膨脹力對隧道結構的影響研究還不全面；近接施工研究重點是對既有隧道結構的影響，并且近接方式也主要為平行、正交方式，而雙洞同時施工且近接方式為間距漸變的施工研究較少。因此，本文以合肥市軌道交通1號線為背景，采用熱力場-應力場耦合數值模擬方法，對雙洞隧道合理凈距、雙洞隧道掌子面合理距離等施工參數進行優化研究，給出合理的淺埋暗挖雙洞地鐵隧道施工參數。

1 工程背景

合肥市軌道交通1號線二期工程土建9標段線路位于合肥市肥西縣境內，采用淺埋暗挖法施工，暗挖區間全長143 m，線路在暗挖區間里程46 m處由單洞隧道分為雙洞隧道，兩隧道間距由3.57 m逐漸變為14 m。暗挖區間線路示意圖如圖1所示。

暗挖區間主要穿越地層巖性為連續分布的黏土，含氧化鐵、少量鐵錳結核及灰白色高嶺土，斷面粗糙，干強度高。根據室內試驗，得到膨脹土地層物理參數，見表1。暗挖區間膨脹土地層地表裂隙如圖2所示。

圖1 暗挖區間線路圖

地層膨脹潛勢自由膨脹率/%重度/(kN/m3)泊松比彈性模量/MPa黏聚力/kPa摩擦角/(°)黏土弱53.820.000.2112.0076.0816.37

(a) 膨脹土地層

(b) 裂縫開展

地鐵隧道開挖直徑為6.4 m，初期支護采用超前小導管、噴射混凝土、格柵鋼架措施，二次襯砌厚度為0.3 m，采用C35混凝土。隧道斷面如圖3所示。

2 膨脹土附加膨脹應力場模擬方法

本文從膨脹巖吸水膨脹、失水收縮的宏觀特性入手，認為這一過程類似于材料熱脹冷縮溫度效應，采用FLAC3D數值軟件中的熱力場-應力場耦合方法來實現這一變化過程。

圖3 單洞隧道斷面圖(單位： mm)

2.1 理論基礎

FLAC3D數值計算軟件中的熱力場-應力場耦合是通過重新形成增量應力應變關系來實現的，即從總應變增量中減去由于溫度變化產生的應變增量。由于各向同性材料中自由熱膨脹只產生均勻的體應變，而不產生角度變形，因此剪應變增量不受影響。熱應變增量與溫度增量的關系如下：

Δεij=λtΔTσij。

(1)

式中： Δεij為應變分量變化量，i、j=1，2，3；λt為線性熱膨脹系數； ΔT為溫度變化量;σij為應力分量，i、j=1，2，3。

因此，彈性材料的本構關系為：

(2)

式中：εij為正應變分量，εii為切應變分量，i、j=1，2，3；t為時間變量;α1為比奧系數；Fi為體積力；K、G分別為體積模量和剪切模量。

假設膨脹土是各向同性線性膨脹的，膨脹土的應力場平衡微分方程為：

(3)

式中：xj為x軸方向上的坐標；ρ為巖體密度；E為巖體彈性模量；α為線膨脹系數；W為含水率；ν為泊松比。

2.2 膨脹土熱膨脹系數標定

根據暗挖區間的現場測試結果可知，暗挖區間膨脹土自由膨脹力為60 kPa。建立1 m×1 m×1 m單元體模型，在計算模型頂部施加60 kPa膨脹力，通過不斷調整熱力學模塊中的熱膨脹系數，使模型表面位移最終為0，從而得出等效熱膨脹系數。單元體模型如圖4所示，反演結果見表2。

(a) 模型加載

(b) 豎向位移應力圖

Table 2 Back calculation results of equivalent thermal expansion coefficient

計算次數膨脹系數β模型頂面位移/mm膨脹率/%13.0×10-51.340.13422.7×10-50.0150.001532.2×10-5-0.420.04242.0×10-5-0.860.086

經過反演分析，當等效熱膨脹系數β=2.7×10-5時，模型頂面位移為0.015 mm，其膨脹率只有0.001 5%。因此，暗挖區間膨脹土等效熱膨脹系數β=2.7×10-5。

2.3 模型驗證

采用熱力場-應力場耦合模擬方法，模擬膨脹土地層條件下的隧道開挖過程，并繪制出地表沉降曲線，與暗挖區間實測地表沉降曲線進行對比，以此來驗證模型的準確性、合理性。

根據隧道斷面形式建立計算模型，覆土厚度為6 m，隧道跨度為6.4 m，高6.65 m。模型上部至地表、仰拱底至隧道下邊界各取10.2 m； 以隧道中軸線為原點，計算模型左右邊界各取25.5 m，計算模型寬51 m，長67 m，高22.8 m。計算模型如圖5所示，隧道結構從圖3取值，土層參數從表1取值。

(a) 模型建模

(b) 膨脹力

提取膨脹土地層模擬工況下地表沉降計算結果，并結合現場實測的地表沉降數據，繪制地表沉降曲線對比圖，如圖6所示。由圖6可知： 距離隧道中心10 m范圍內，膨脹土地層工況下的地表沉降值和實測的地表沉降值高度吻合； 在距隧道中心10 m范圍外，有一定的偏差，最大偏差值為2.47 mm，偏差量較小。通過對比，得出計算模型地表沉降曲線與現場實測地表沉降曲線較為吻合，由此說明此數值模擬計算方法能夠準確模擬膨脹土地層暗挖隧道施工過程。

圖6 地表沉降對比曲線

3 膨脹土淺埋雙洞隧道合理凈距分析

3.1 模擬工況及計算模型

由于合肥地鐵1號線淺埋暗挖區間兩隧道凈距由3.57 m漸變為14 m，根據凈距變化過程，以洞跨B為單位，采用膨脹力計算模型對8種工況進行模擬計算，如表3所示。由于計算模型較多且相似，因此僅給出凈距為0.5B、1.0B的計算模型示意圖，其余不再列出。計算模型如圖7所示。

表3 不同凈距模擬工況表

(a) 模型整體圖

(b) 凈距0.5B局部模型

(c) 凈距1.0B局部模型

左、右隧道結構各設置3個位移監測點、3個應力監測點，模型上表面以3 m間距布置監測點，監測地表沉降變化規律。隧道結構監測點布置如圖8所示。

3.2 不同凈距地表沉降結果分析

分別提取不同凈距下隧道開挖引起的地表沉降結果，將各工況數據綜合繪制成圖，如圖9所示。各工況地表沉降最大值見表4。

分析圖9可知： 當兩隧道凈距小于1.0B時，地表最大沉降位置出現在距離左線隧道中心10 m位置，且地表沉降曲線呈“V”字型；當兩隧道凈距大于1.0B時，地表最大沉降量出現位置在距離左線隧道中心23 m位置，且地表沉降曲線呈“W”字型。

(a) 左線隧道

(b) 右線隧道

圖9 不同凈距隧道地表沉降對比圖

Fig. 9 Comparison of ground surface settlement curves of tunnels with different clear distances

表4不同工況下最大地表沉降值

Table 4 Maximum ground surface settlements under different conditions

模擬工況最大地表沉降/mm規范限制值/mm是否超限141.2330.00超過240.5830.00超過339.8830.00超過433.8430.00超過528.8230.00不超過625.2630.00不超過725.7630.00不超過824.1230.00不超過

由表4可知，凈距在小于1.5B時的各工況最大地表沉降均大于規范值要求。因此，若僅考慮地表沉降因素，兩隧道凈距應大于1.5倍洞徑。

3.3 襯砌內力結果分析

根據隧道襯砌內力計算結果繪制內力增量圖，如圖10所示。由圖10分析可知，凈距對結構彎矩影響規律為： 隨著凈距的增加，結構彎矩增量總體呈減小趨勢，凈距的影響范圍為0～3倍洞徑；在0.5B～1B凈距內，襯砌結構各監測點彎矩增量急劇降低，在凈距為1B時，各監測點彎矩增量值為10%左右；在1B～2B凈距內，襯砌結構彎矩增量呈先增加后降低的變化趨勢； 當凈距大于3B時，隧道結構彎矩增量基本為0。凈距對結構軸力的影響規律為：在0.5B～2B凈距內，隧道結構拱頂、左邊墻處的軸力增量線性減小至0，而右邊墻軸力增量急劇減小至0；在凈距大于2B后，隧道結構軸力增量幾乎為0。

(a) 彎矩增量

(b) 軸力增量

Fig. 10 Internal force increments of tunnel lining with different clear distances

通過分別分析凈距對結構彎矩、軸力影響規律可知，若僅考慮襯砌結構受力因素，兩隧道凈距應大于1.5倍洞徑。

3.4 圍巖塑性區結果分析

不同凈距工況下圍巖塑性區分布如圖11所示。可以看出凈距小于1.0B時，圍巖塑性區貫通，中間巖柱破壞; 隧道凈距大于1.0B時,圍巖塑性區不貫通，中間巖柱不發生塑性破壞。

(a) 凈距0.50B(b) 凈距0.56B(c) 凈距0.60B(d) 凈距1B

(e) 凈距1.5B(f) 凈距2.0B(g) 凈距2.5B(h) 凈距3.0B

圖11不同凈距圍巖塑性區分布

Fig. 11 Plastic zone distributions of surrounding rock of tunnel with different clear distances

綜合上述分析可知，若考慮隧道開挖時地表沉降因素，兩隧道凈距應大于1.5倍洞徑；若考慮襯砌結構受力因素，兩隧道凈距應大于1.5倍洞徑；若考慮開挖圍巖塑性分布因素，兩隧道凈距應大于1.0倍洞徑。因此，建議兩隧道凈距應大于1.5倍洞徑。

4 雙洞隧道掌子面合理距離分析

為了減少隧道施工工期，在開挖左線隧道時可以同時開挖右線隧道，但兩隧道的掌子面必須保持一定距離才能保證施工的安全性，且二次襯砌也要及時跟進，以減小后行洞對先行洞的影響。

4.1 模擬工況及計算模型

計算參數取值與前一節相同，建立附加膨脹應力場下的兩隧道漸變間距模型，模型縱向取60 m，長71 m，寬23 m，如圖12所示。

(a) 整體網格圖

(b) 襯砌網格圖

通過選取固定斷面作為監測斷面的方式，排除由于雙洞隧道凈距的變化對計算結果的影響。選取距離隧道洞口20 m處的斷面為監測斷面，分析不同掌子面間距下，隧道開挖通過此斷面時地表位移及拱頂位移的變化,監測斷面如圖13所示。分別分析不同掌子面距離對圍巖、隧道結構的影響，以確定合理的掌子面距離。計算模型工況見表5。

圖13 監測斷面

模擬工況掌子面距離/m15210320430540650

4.2 不同掌子面距離下地表沉降結果分析

分析不同掌子面距離下橫向、縱向地表沉降規律，計算結果如圖14所示。由圖14分析可知： 從單洞開挖地表沉降分析，橫向地表沉降呈“V”字型分布，單洞開挖50 m后最大地表沉降為25 mm，單洞開挖現場實測最大地表沉降為26.8 mm，兩者數據較為吻合； 隨著兩隧道掌子面距離增大，隧道間相互影響越來越小，其橫向及縱向地表沉降最大值也越來越小； 兩掌子面距離小于40 m時，橫向、縱向地表沉降最大值都大于30 mm，已經超出了地表沉降的規范限制值； 兩掌子面距離大于40 m時，左右洞開挖的影響相對較小，地表沉降最大值小于規范限制值。因此，若僅考慮地表沉降因素，兩掌子面距離應大于40 m。

(a) 橫向地表沉降

(b) 縱向地表沉降

Fig. 14 Horizontal and vertical ground surface settlement rules of tunnel with different distances between two tunnels

4.3 不同掌子面距離下拱頂沉降結果分析

不同掌子面距離開挖的拱頂沉降數值如圖15所示。

圖15 不同掌子面距離拱頂縱向沉降曲線

Fig. 15 Longitudinal settlement curves of crown top of tunnel with different distances between two tunnels

由圖15可知： 掌子面距離為5 m時，引起的左洞拱頂沉降增量達到了30.99%，對隧道的位移影響較大； 而掌子面距離為40 m時，沉降增量降低到 7.25%，對隧道的影響相對較小。因此，若僅考慮拱頂沉降因素，若以增量10%作為控制標準，兩掌子面距離應大于40 m。

4.4 不同掌子面距離下圍巖塑性區結果分析

不同掌子面距離圍巖塑性區分布如圖16所示。由圖16可知： 隨著兩隧道掌子面距離增加，兩隧道中間區域圍巖塑性區貫通范圍逐漸減小； 當兩掌子面距離小于30 m時，兩隧道中間圍巖塑性區貫通；當兩掌子面距離大于30 m時，圍巖塑性區不貫通。因此，若僅考慮圍巖塑性區分布因素，兩隧道掌子面距離應大于30 m。

(a) 5 m (b) 10 m (c) 20 m (d) 30 m (e) 40 m

圖16不同掌子面距離圍巖塑性區分布圖

Fig. 16 Plastic zone distributions of surrounding rock of tunnel with different distances between two tunnels

綜合上述分析可知，若考慮隧道開挖時地表沉降因素，兩掌子面距離應大于40 m；若考慮隧道拱頂沉降因素，兩掌子面距離應大于40 m；若考慮兩隧道中間圍巖塑性區分布因素，兩掌子面距離應大于30 m。因此，建議兩掌子面距離應大于40 m。

5 結論與建議

本文以合肥市軌道交通1號線為背景，采用熱力場-結構場耦合數值模擬方法，對淺埋雙洞地鐵隧道合理凈距、雙洞掌子面合理距離施工參數進行優化研究，主要結論如下。

1)采用熱力場-應力場耦合數值模擬方法來模擬膨脹土吸水膨脹、失水收縮的宏觀特性對隧道結構的影響作用，將數值模擬結果與現場實測值對比，驗證了該方法的正確性、合理性。

2)當兩隧道凈距大于1.5倍洞徑時，最大地表沉降值為28.82 mm，襯砌結構內力增量小于20%，雙洞中柱塑性區不貫通。建議雙洞隧道間距大于1.5倍洞徑。

3)當兩隧道掌子面距離大于40 m時，地表沉降小于30 mm，拱頂沉降增量為7.25%，兩隧道中柱塑性區不貫通。建議兩隧道掌子面距離大于40 m。

本文主要通過全地層設置等效膨脹系數，以實現膨脹作用模擬過程，但尚未研究應力場對膨脹率的影響，今后可以進一步深入研究。

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