淺埋偏壓大斷面暗挖隧道施工力學行為數值模擬分析

趙 衛 師亞龍

(1.中鐵國際集團安哥拉分公司，安哥拉； 2.中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731)

0 引言

隨著地下軌道交通工程事業的發展，淺埋暗挖大斷面偏壓車站及隧道不斷涌現，埋深越淺、斷面越大、偏壓越明顯開挖過程的安全性成為亟待解決的重要問題。相比明挖地鐵車站，暗挖地鐵車站的施工復雜性高、難度大，所以更應開展相關研究，探討如何根據暗挖地鐵車站的不同結構形式，選擇科學合理的施工工法[1,2]。文獻[3][4]針對大跨隧道在施工過程中，由于跨度較大而引起較多的不利因素導致施工進展困難，文章應用有限元方法對大跨度隧道的完整開挖過程進行了動態模擬研究，模擬開挖采用能保證施工安全的雙側壁導坑法對圍巖的位移、初期支護的剪力、彎矩以及錨桿軸力動態變化進行監控，提出大跨度隧道施工中容易出現的問題及相應的解決措施。奚正兵等[5]采用數值模擬計算對不同的施工方法開挖隧道引起地表變形、塑性區分布、地層分層沉降的特性和機理，在此基礎上提出了相關的施工技術措施，使隧道在整個施工過程中都處于安全可靠范圍之內。然而上述文獻研究多數集中在單一的大跨隧道施工，而針對大跨淺埋偏壓隧道的施工方法研究較少，且從以往文獻中，少有發現專門針對大跨隧道拆撐方法的研究。

基于此，本文采用有限元分析軟件ANSYS對該車站不同開挖方法的施工過程進行數值模擬，并對各種工法下的結構內力、變形、地表沉降等進行對比分析，以便尋求合理施工方法及拆撐方法，從而指導現場施工。

1 工程地質概況

某地鐵車站為局部暗挖、局部明挖的10.0 m寬島式站臺車站，暗挖段分為雙層和三層直墻拱形結構，其長約為111.9 m，明挖段為三層矩形框架結構，其長約為41.9 m。其中車站主體部分暗挖段頂部為拱形結構，暗挖段下斷面及明挖段采用單柱雙跨混凝土框架結構。暗挖段暗挖隧道標準段開挖斷面面積最大達407.1 m2，斷面寬度19.8 m，高度21.14 m，隧道最淺埋深僅約12 m，同時隧道兩側埋深不一，存在較大偏壓現象，因此對施工安全性造成較大影響。

根據地勘資料，車站所處的地質情況由上向下主要為第四系全新統人工堆積層、洪積層(主要為淤泥質和粉質粘土)，以及第四系上更新統坡積層、殘積層(主要為粘土、粉質粘土、礫質粘性土及粉土)，以及風化性花崗巖和角巖。

2 計算模型及計算參數

2.1 計算模型及邊界條件

本次計算采用地層荷載法，隧道斷面尺寸及相應地形地質資料，不考慮空間效應，按平面應變問題模擬。數值模擬計算中只考慮巖體的自重，忽略其構造應力。初期支護采用2節點平面梁(Beam3)單元，上覆蓋層和圍巖采用平面4節點等參單元(Plane42)模擬，計算中圍巖采用Drucker-Prager彈塑性本構關系。模型自隧道中心水平向外各取5倍隧道外徑，垂直向下取4倍隧道外徑。模型上端自由，底部豎向位移約束，兩側水平位移約束，其計算模型如圖1所示。

由于隧道開挖斷面尺寸較大，為確保在暗挖隧道施工過程中的安全性，主要對大斷面隧道開挖常用的三種方法即三臺階開挖法、中隔墻法及雙側壁導坑法等進行模擬分析對比(見圖2)。

2.2 計算參數

圍巖及支護物理力學參數根據該車站的設計資料選取，并參考現有鐵路規范進行取值，圍巖及支護材料物理力學參數見表1。

表1 圍巖及支護材料物理力學參數

3 數值計算結果及分析

3.1 應力分析

不同的施工工法下，其圍巖最大、最小主應力如表2所示。

表2 不同工法下最大、最小主應力統計表

由表2可以看出，在各工法施工中，圍巖應力主要為壓應力，其中三臺階法、中隔墻法與雙側壁法的最大主應力分別為1.71 MPa,1.60 MPa和1.40 MPa。而作用位置均處于左邊墻處，主要是由于隧道處于偏壓圍巖中所造成的。而最小主應力中，臺階法施工時，其仰拱處產生受拉現象。雙側壁導坑法施工時，仰拱處壓應力要遠大于中隔墻法。由此可知，在保持圍巖穩定性方面，三種工法的優先性分別為雙側壁導坑法>中隔墻法>三臺階法。

3.2 塑性區分析

不同施工工法所造成的隧道圍巖塑性區范圍如表3所示。

表3 不同施工工法下隧道圍巖塑性區范圍

由表3可知，在各工法施工中，三臺階法在開挖時形成的塑性區范圍最大，而中隔墻法開挖時形成的塑性區范圍次之，雙側壁法開挖時形成的塑性區范圍最小。同時以上三種施工工法，隧道最大塑性區均處于邊墻處，而對于三臺階法和中隔墻法其仰拱處塑性區相對來說也較大，但是對于雙側壁法其仰拱處幾乎不存在塑性區。因此在施工過程中應注意加強監測和及時施作支護結構，以及改善塑性區圍巖的參數，阻止塑性區的進一步發展。

同時由于隧道處于偏壓圍巖中，偏壓現象較明顯，左右兩側塑性區范圍相差較大，施工中應嚴格監控，并采取一定的措施消除偏壓的影響。

3.3 結構內力

在不同施工工法下，對隧道不同開挖步序下的結構內力進行分析，分析初期支護結構的受力特征等，指出每步開挖過程中應注意的最不利結構受力狀態。具體的支護結構模型單元號如圖3所示，其最大內力統計結果如表4所示。

表4 不同工法下支護結構最大內力統計表

類別施工工法襯砌內力臨時支護結構內力襯砌軸力/N襯砌彎矩N·m支撐軸力/N支撐彎矩N·m最大內力值三臺階法4.07E+061.78E+062.60E+061.46E+06中隔墻法2.93E+061.87E+064.36E+062.74E+06雙側壁導坑法2.65E+061.80E+064.18E+060.46E+06最大值位置三臺階法左邊墻左邊墻與仰拱相接處橫撐2橫撐2中部中隔墻法左邊墻左邊墻與仰拱相接處豎撐7橫撐1與豎撐5相接處雙側壁導坑法左邊墻左邊墻與仰拱相接處豎撐9豎撐12與橫撐6相接處

由表4可知，當采用三臺階法施工時，初期支護的結構受力最大，最大軸力達到了4.07 MN；橫撐的軸力在開挖下臺階時增加較大，最大軸力達到了1.78 MN。采用中隔墻法施工時，初期支護結構的最大受力軸力為2.93 MN，而豎撐的最大受力軸力達4.36 MN，位于豎撐與橫撐的相接處。采用雙側壁法施工時，同樣是豎撐受力狀態最不利，在開挖中最大軸力4.18 MN，豎撐與橫撐的相接處，而其永久支護結構最大值為2.65 MN，位于邊墻與橫撐的相接處；對于三種施工工法，其永久結構彎矩最大值均位于左邊墻與仰拱相接處。同時其不同施工工法下的襯砌支護結構軸力最大值均位于左邊墻，主要是由于圍巖偏壓現象所造成。

綜上所述可知，臺階法施工時，支護結構的軸力、彎矩最大，其次是中隔墻法，雙側壁法受力最小。

3.4 地表沉降

由圖4可以看出，三臺階法的地表沉降最大，中隔墻法次之，雙側壁法最小，且幾乎成倍數遞減。

4 結論及展望

1)對于淺埋偏壓隧道，其圍巖應力以壓應力為主，在各工法施工中，從圍巖的最大、最小應力場云圖看，在隧道拱頂、仰拱及邊墻處應力值較大。其中三臺階法的應力集中現象最為顯著，中隔墻法與雙側壁法相對較小。

2)在各工法施工中，三臺階法在開挖時形成的塑性區范圍最大，而中隔墻法和雙側壁法開挖時形成的塑性區范圍較小。開挖初期，塑性區集中于拱腳處等，隨著分層開挖的進行，塑性區逐漸向邊墻及仰拱處轉移，并逐步擴展。

3)現場施工中采用三臺階法施工時，橫撐的軸力在開挖下臺階時增加較大。而在中隔墻法和雙側壁法施工中，豎撐受力較大。

4)各工法施工中，采用三臺階法施工時地表沉降最大，采用中隔墻法施工時地表沉降及洞周位移變化次之，采用雙側壁法施工時地表沉降最小。