軟弱富水地層淺埋暗挖隧道CD法施工數值模擬分析

張 杰

(福州理工學院 福建福州 350000)

0 引言

隨著城市建設進程的加快，大量人口聚集到發展迅速的地區，地面交通擁堵現象愈加嚴重，所以亟需大力發展地下空間。由于交通線路受多方面因素的制約，往往會通過工程地質情況復雜的地層。 理論上，復雜地層中進行隧道施工是可行的[1-2]，許多學者也對其進行了相關的研究。

針對淺埋暗挖隧道施工進行研究的主要方法有：模型試驗、數值計算、理論研究等。其中，數值計算方法是一個常用手段，部分學者采用數值計算方法對其工法進行研究[3]，為施工提出了不少有益建議；部分學者[4-5]對其支護結構進行研究，試圖找到不同支護結構開挖時的受力變形特點，期望針對不同圍巖配合使用與之相應的支護結構。部分學者[7-13]對開挖引起的圍巖變形進行研究，試圖擬合出一系列變形公式，在隧道施工前期，對圍巖變形大小進行預測，以便預先對可能出現的施工問題提出應對措施。

以上研究成果對一般的軟弱土層較適用，對于地下水較豐富的土層，施工過程中會出現許多問題[14]，例如，地下水滲流過大，嚴重影響施工進程；由于地下水的原因，支護結構變形及地表沉降影響的范圍增大等。以往研究成果中，地下水一般作為非關鍵因素，而且由于地質情況不同，土層所體現出來的物理力學性質差別也很大[15]，很難得到一個普遍性結果。因此，本文針對軟弱富水地層淺埋暗挖隧道CD法施工進行研究，可為同類工程項目設計、施工提供參考。

1 工程概況

莞惠城際軌道交通工程位于東莞市寮步鎮，其里程DK32+300～DK32+927.303段采用了上下臺階四部分CD法施工，如圖1所示。隧道埋深多為9m～15m，超前支護為3m的Ф42mm超前小導管，使用于隧道上導坑側壁及拱部180°范圍內，環距0.33m，縱距1m；開挖循環進尺0.5m，上臺階5m～7m，其預留核心土2m～3m，左右導坑工作面縱向間距8m～10m，當采用雙線施工時，開挖面前后至少錯開15m；初期支護采用縱距0.5m的I20a鋼架(設兩根3m的Ф42mm鎖腳錨桿，縱向每米設置一根3.5m的Ф25mm系統徑向砂漿錨桿)及厚度0.3m的C20網噴混凝土(150mm×150mm的Ф8mm鋼筋網)；永久支護為0.55m模筑襯砌。

圖1 CD法施工工法圖

1.1 工程地質

取強風化(W3)、全風化(W4)兩組原狀土進行土工試驗[16]，所得結果如表1所示。

表1 混合片麻巖主要指標匯總表

1.2 水文地質

地質勘察期間，地下水初見水位3.1m，穩定水位3.4m～7.5m，無腐蝕性，水質較好，對鋼筋混凝土結構和混凝土結構無腐蝕性。

2 數值計算

2.1 模型的建立

本文采用ABAQUS有限元計算軟件進行三維模擬，圖2為模型平面示意圖，模型尺寸2.6m×1.6m×1.6m，隧道埋深0.4m，地下水埋深0.2m。使用厚度為1cm的噴混凝土和間隔8cm的拱架進行支護。模型底面約束3個方向位移，頂面不施加約束，剩余各表面僅約束法向位移。拱架和噴混凝土假設為彈性材料，鋼架材料屬性采用梁單元，噴混凝土采用均質實體單元進行模擬。圖3為模型網格劃分示意圖。

圖2 計算模型平面示意圖

(a)土體網格劃分 (b)支護結構網格劃分圖3 網格劃分示意圖

2.2 參數的選取

模型土體材料及支護結構的主要參數指標[17]，如表2所示。

表2 模型用土及支護結構的主要指標

2.3 計算結果及分析

(1)孔隙水壓力場分析

孔隙水壓力隨隧道開挖改變較顯著，開挖結束穩定后孔隙水壓力場云圖如圖4所示。整體呈現“濾斗狀”，開挖區以外0D～2.5D內(D為隧洞寬)孔隙水壓力改變較明顯，之外變化變緩。隧道開挖引起地下水位線下降，從而增大了土體有效應力，在滲流場和應力場共同作用下，地表沉降明顯增大。地表沉降由于地下水滲流的原因，范圍也有所增大，所以在實際監測過程中，應不斷根據數據情況對監測范圍進行調整以覆蓋整個影響區域。

圖4 開挖穩定后孔隙水壓力場云圖(單位：Pa)

(2)土體位移場分析

針對拱腳、邊墻和墻腳3個關鍵點，分析其水平位移變化，地表、拱頂和拱底3個關鍵點，分析其豎直位移變化。圖5為位移測線分布示意圖，L1、L2、L3分別為拱腳、邊墻、墻腳水平位移測線；L4、L5、L6、L7分別為地表沉降橫向測線、地表沉降縱向測線、拱頂沉降測線、拱底隆起測線。

(a)水平位移測線 (b)豎直位移測線圖5 測線分布圖

根據水平位移隨開挖的分布曲線(圖6)可知，開挖深度至32cm以后，深度20cm處的拱腳、邊墻、墻腳水平位移達到最大并逐漸趨于穩定，最大值分別是0.431mm、0.458mm、0.059mm，中隔墻的拆除對水平位移影響不大。

邊墻處水平位移最大，所以將開挖深度20cm處測點的邊墻水平位移計算結果進行處理，得到施工過程中4個分區分別產生的水平位移增量值及其百分比，并將匯總結果列于表3。據統計計算，②區開挖所產生的沉降值最多，①區其次，③區、④區最少，中隔墻的拆除對邊墻水平位移影響非常小。

(a) 拱腳水平位移沿L1的分布曲線(縱向)

(b) 邊墻水平位移沿L2的分布曲線(縱向)

(c) 墻腳水平位移沿L3的分布曲線(縱向)圖6 水平位移隨開挖的分布曲線表3 各開挖分區產生的邊墻水平位移增量及百分比

①區開挖②區開挖④區開挖拆除中隔墻0.1170.1520.0860.00325.55%33.18%18.78%0.66%

隧道開挖至20cm后，地表沉降橫向分布曲線，如圖7所示，可用Peck公式進行模擬，最大豎直沉降逐漸穩定，中隔墻的拆除也會引起較少的地表沉降。沉降槽隨地下水滲流的影響范圍有所增加，地表沉降最大值也有所增大并偏向于先施工側，最大值為1.42mm，按模型相似比換算成實際工程沉降值35.5mm，大于淺埋暗挖法施工質量控制標準規定的30mm，所以開挖前應采用超前支護手段。

圖7 地表沉降沿L4的分布曲線(橫向)

繪制地表沉降縱向分布曲線，如圖8所示，圖中可知，拆除中隔墻會對距離開挖工作面-D～2D范圍以內的地表產生影響，引起的地表沉降最大為1.5mm，所以施工中應嚴格控制隔墻的縱向長度，防止過早拆除隔墻影響開挖面穩定性。

圖8 地表沉降沿L2的分布曲線(縱向)

圖9 地表沉降隨開挖變化曲線

開挖至測點對應的工作面之前，沉降值高達2.14mm，如圖9所示，占最終沉降量的79.4%，開挖-1D～0D段時，地表沉降量占63%，所以軟弱富水地層中施工應預先進行較強的超前支護手段。

將開挖4個分區產生的深度20cm處地表沉降結果統計匯總于表4中。由表中數據可知，沉降量從大到小依次為：①區>②區>④區>③區，中隔墻的拆除會造成一定的沉降，所以①區開挖前應預先施加較強的超前支護措施，開挖完成應立刻封閉開挖面。

表4 各開挖步產生的地表沉降

開挖至24cm之后，20cm深度處的拱頂沉降值逐漸趨于穩定如圖10所示，最終沉降值為1.92mm，同一斷面上地表最大沉降為1.42mm，兩者相差不大。中隔墻的拆除對拱頂影響較小。

圖10 拱頂沉降沿L4的分布曲線(縱向)

將開挖4個分區所產生的深度20cm處拱頂沉降值統計結果匯總于表5。由表中數據可知，開挖引起的沉降規律與地表沉降相似，所以①區開挖前應預先施加較強的超前支護，開挖完成應立刻封閉開挖面。

表5 各開挖步產生的拱頂沉降

開挖至24cm后，20cm深度處的拱底隆起值逐漸趨于穩定，如圖11所示。將開挖4個分區所引起的深度20cm處的拱底隆起值匯總于表6中。開挖④區引起的隆起值最大，中隔墻的拆除造成的影響較小，所以推遲④區開挖時間，可有效防止拱底隆起值超標。

圖11 拱底隆起沿L5的分布曲線(縱向)表6 各分區產生的拱底隆起值

①區開挖②區開挖③區開挖④區開挖拆除中隔墻0.4220.3370.5190.6450.04421.45%17.13%26.39%32.79%2.24%

(3)支護結構受力分析

深度20cm處拱架在未安裝完畢之前，隔墻拱架主要承受壓力，部分區域有拉力存在，安裝完畢之后，隔墻拱架只承受壓力，說明隔墻拱架設計較合理。隔墻拱架的安裝對拱架彎矩值影響較大，軸力值影響較小，特別是拱架拱頂處。拱架受力狀態隨著隧道開挖影響較明顯，影響區域為1D～2D。隔墻拱架的拆除對其余部分內力造成顯著的影響，開挖穩定后如圖12所示，①區、④區存在最大彎矩值，②區、③區存在較小彎矩值并有負彎矩；④區軸力值最大，②區、③區軸力值較小，且存在拉力。

(a)彎矩圖(N·m) (b)軸力圖(N)圖12 拱架隨開挖的變形云圖

(4)塑性破壞區

隧道開挖過程中，圍巖塑性區從邊墻處向外延伸，開挖至36cm深度處逐漸趨于穩定；隔墻拱架的拆除增大了圍巖塑性破壞。從圍巖塑性破壞云圖，由圖13可以看出，開挖穩定后，開挖向右側邊墻圍巖破壞明顯大于左側，兩側邊墻處破壞最大，明顯大于拱底和拱頂；②區和③區圍巖破壞最大，遠大于①區和④區，①區及④區部分土體未發生塑性破壞，這有可能軟弱富水地層圍巖強度較小，在開挖①區時，圍壓作用下形成了側向的內拱。

圖13 開挖穩定后圍巖塑性區

3 結論

(1)隧道開挖區以外0D～2.5D內(D為隧洞寬)孔隙水壓力改變較明顯，所以在實際監測過程中，應不斷根據數據情況對監測范圍進行調整以覆蓋整個影響區域。

(2)拆除中隔墻對距離開挖工作面-D～2D范圍以內的地表有一定影響，所以施工中應嚴格控制隔墻的縱向長度，防止過早拆除隔墻影響開挖面穩定性。

(3)采用CD法施工時，④區開挖引起的隆起值較大，所以推遲④區開挖時間，可有效防止拱底隆起值超標。

(4)拱架受力狀態隨著隧道開挖影響較明顯，影響區域為1D～2D。隔墻拱架的拆除對其余部分內力造成顯著的影響，開挖穩定后，①區、④區存在最大彎矩值，②區、③區存在較小彎矩值并有負彎矩；④區軸力值最大，②區、③區軸力值較小，且存在拉力。

(5)開挖穩定后，開挖向右側邊墻圍巖破壞明顯大于左側，兩側邊墻處破壞最大，明顯大于拱底和拱頂；②區和③區圍巖破壞最大，遠大于①區和④區，①區及④區部分土體未發生塑性破壞，這有可能軟弱富水地層圍巖強度較小，在開挖①區時，圍壓作用下形成了側向的內拱。