變截面隧道圍巖失穩力學機理研究

鄭愛元

摘 要：隨著城市地下空間的發展，地鐵逐漸成為了人民出行的主要交通工具，但地下工程的環境非常復雜，對于大跨淺埋隧道更是復雜。淺埋地鐵隧道工程下穿地上建筑物，會使圍巖失穩和地表發生沉降。為此，本文依托深圳地鐵7號線工程，對下穿地鐵的圍巖展開研究，通過數值計算分析，分析了圍巖的破壞機理，總結了隧道應力、應變分布規律。研究表明：（1） 當截面從大斷面變為小斷面時，地表沉降量顯著減小。隨著隧道截面由小變大，地表沉降量不斷變大，最后形成近似馬鞍形形狀的地表沉降趨勢;（2）當附近土體開挖時，隧道拱腰位置的圍巖應力會顯著提升，中間巖柱處存在較大的應力釋放。

關鍵詞：地鐵隧道群;圍巖失穩;大跨度;數值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.054

1 引言

隨著城市地下空間的發展，在大城市中，地面交通變得越來越擁堵，另外，地面交通的存在的諸如噪音、遮擋陽光、占用大量土地資源等缺點日趨嚴峻，但地下空間環境復雜，施工難度大，存在較多的不穩定性因素，因此，本文依托深圳地鐵7號線工程，對下穿地鐵的圍巖展開研究。

目前，目前，在國外，NA DO，D Dias and P Oreste[7～9]圍巖失穩機理展開分析研究，在國內，吉小明、譚文[1]研究了地鐵車站變形控制措施。王暖堂、陳瑞陽等[2]總結了富水地區的下穿隧道施工工法。曾宗強[3]進行了淺埋隧道三維模擬，分析了隧道圍巖變形規律。姚明會[4]研究了地鐵隧道的巖土體施工力學機理。胡晗[5]利用數值計算分析方法對隧道開挖過程中支護參數進行模擬。吉小明、譚文等[6]提出了地鐵隧道開挖前的加固措施。

本次數值模擬計算，依托現有工程，對不同施工工序進行對比分析，旨在指導后續施工。

2 工程概況

本文依托的深圳地鐵7號線工程，全長30.173公里。工程采用雙側壁導坑法，7號線沿線地質條件復雜，附近既有建筑物和構筑物比較多，施工難度比較大。施工場地的土質多為碎石、塊石和人工填土，土質相對不均勻，極易引起隧道倒塌。另外，在人工填土層下方分布不穩定的花崗巖和風化巖，土質不穩定，極容易發生沉陷坍塌等不良地質災害，施工難度大。

3 數值計算模型

采用三維數值模型。根據現場實測數據，初步建立三層理想土層，建立圖2所示土層三層土質依次為素填土、全風化花崗巖和中風化花崗巖。隧道分步依次開挖，開挖順序如圖2所示。為了避免數值計算受到邊界條件的影響，模型的尺寸定為128m×78m×90m，三維模型圖如圖2所示。

4 數值計算分析方法

數值計算步驟如下：（1）邊界條件：除模型上邊界為自由面，其余各個面都施加法向約束。（2）開挖方法：采用雙側壁導坑法施工，一次開挖5m，設置六個分析步。（3）施加重力，重力加速度為10m/s2。

各層土的計算參數如表1所示。

5 可靠性驗證

為了本次驗證實驗的準確性和可靠性，將數值模擬的數據與Peck公式、組合梁簡化模型計算方法的標準數據進行對比，如圖6所示。從圖6中可以分析出，數值模擬結果與Peck公式、組合梁理論公式數據趨勢大致相同，僅僅在距離大小截面較遠處出現相對較大不同，根據數值模擬計算結果繪制出的曲線可以得知，地表沉降一直呈現出隆起形式，由于組合梁理論模型約束了遠端的位移，所以只有一小部分出現了地表隆起。本次實驗驗證了數值模擬的可靠性。

另外，通過三個曲線可以看出，數值模擬曲線最大值向大斷面隧道一側靠攏，在隧道兩側，曲線的斜率呈現出增大趨勢。由此可以得出結論，本文所設計的數值模擬是具有可靠性的。

6 數值計算結果分析

6.1 地表沉降分析

為了進一步研究地表沉降趨勢，通過模擬計算得到三維地表沉降圖，如圖7所示。從圖7可以看出，在同一斷面上，地鐵隧道群一直只有一個沉降槽。當隧道的截面從大變小時，地表沉降量顯著變小;當隧道的截面從小變大時，地表沉降量顯著增大。最終形成馬鞍形的地表沉降。

6.2 圍巖應力場分析

為了對圍巖應力作做進一步的研究，在整個開挖過程中，提取多個分析步的圍巖應力進行分析，各個分析步的圍巖應力如圖8所示。從圖8中可以看分析出，第1分析步開挖后，隧道底部出現較小的應力，這是由于沒有支護措施，開挖后截面底部應力得到釋放;第1分析步開挖后，相比較同深度下其他點的應力，隧道截面頂部的應力較小，但應力值并不為零，可以看出該處應力得到一定程度的釋放;第五分析步的圍巖應力狀況與第一分析步大致相同。第11分析步開挖后，大斷面隧道拱頂大部分區域存在應力釋放現象。第17和25開挖分析的隧道應力情況與第11步大致相同，在臨空掌子面一定區域也存在應力釋放現象。在第27分析步開挖后，小斷面隧道拱頂區域存在應力釋放現象，兩種截面的隧道中間柱子處出現應力集中現象。在第72分析步開挖后，在小斷面隧道拱腰位置存在應力集中現象，在靠近大斷面隧道，拱腳出現應力集中，而對于大斷面隧道而言，隧道拱腳區域存在應力集中現象，在靠近小斷面隧道，相比較大斷面應力集中現象出現在比較靠上區域，這解釋了大小截面相互作用的現象。

7 結論

本文依托深圳地鐵7號線工程，對下穿地鐵的圍巖展開研究，通過數值計算分析，分析了圍巖的破壞機理，總結了隧道應力、應變分布規律。得到了以下結論：

（1）數值模擬的數據與Peck公式、組合梁簡化模型計算方法的標準數據進行對比，三條曲線走勢大致相同，證明了本次實驗的可靠性。

（2）在同一斷面上，地鐵隧道群一直只有一個沉降槽。當隧道的截面從大變小時，地表沉降量顯著變小;當隧道的截面從小變大時，地表沉降量顯著增大。最終馬鞍形的地表沉降。

（3）隨著開挖不斷進行，隧道拱腰的圍巖應力不斷增大，中間巖柱的厚度與應力釋放率成反比，大斷面應力釋放程度更高。

參考文獻：

[1]吉小明，譚文.淺埋暗挖大跨隧道中的施工力學原理與施工技術研究[J].隧道建設，2010（s1）：94-99.

[2]王暖堂，陳瑞陽，謝菁.城市地鐵復雜洞群淺埋暗挖法施工技術[J].巖土力學，2002，23（02）：208-212.

[3]曾宗強.地鐵大跨度淺埋暗挖隧道施工力學及安全性分析[D].西南交通大學，2009.

[4]姚明會.淺埋暗挖大跨度地鐵隧道地表沉降分析[D].同濟大學，2007.

[5]胡晗.淺埋大跨地鐵車站中洞法施工力學效應研究[D].重慶大學，2015.

[6]吉小明，譚文，石明霞.淺埋暗挖大跨隧道中的施工力學問題分析與數值模擬[J].廣州建筑，2009，37（04）：12-19.

[7]Do N A，Dias D，Oreste P.3D numerical investigation of mechanized twin tunnels in soft ground-Influence of lagging distance between two tunnel faces[J].Engineering Structures，2016（109）：117-125.

[8]Peck R B.Deep excavations and tunnelling in soft ground [J].Proc.int.conf.on Smfe，1969：225-290.

[9]Attewell P B，Yeates J，Selby A R.Soil movements induced by tunnelling and their effects on pipelines and structures[J].Methuen Inc New York Ny，1986：310-317.