“Y”型隧道不同斷面型式開挖步序研究

舒 進

(中國鐵路設計集團有限公司，廣東 深圳 518052)

1 概述

隨著我國城市軌道交通的快速發展，不同類型的隧道型式層出不窮。研究“Y”型隧道不同斷面進洞步序，研究其對隧道受力變形影響，對選擇合適的開挖步序，對減小隧道變形、提高開挖過程中安全性具有十分重要的指導意義。本文采用有限元軟件FLAC 3D對深圳市城市軌道交通10號線工程某場段出入線區間與2號牽出線隧道“Y”型分岔交互工程進行模擬，分析并得到不同隧道開挖步序對隧道變形的影響。

2 工程概況

深圳市城市軌道交通10號線工程某場段出入線區間由單洞單線斷面匯合為單洞雙線斷面，且與2號牽出線隧道交匯，形成“Y”型分岔隧道，匯合為單洞三線隧道。隧道處丘陵地貌，地形起伏較大，地下水豐富(穩定地下水位埋深6.6 m～36 m)，地質多為Ⅴ級圍巖，隧道覆土約17 m～27 m，采用礦山法施作；2號斜井由明槽段+橫通道組成。橫通道設置于牽出線與出入線交匯處，作為開挖轉換面。橫通道通過設置明挖基槽作為施工道路。

3 計算模型建立與隧道開挖過程模擬

3.1 土體本構模型的選取

土體是一種很復雜的復合體，在外力的作用下，土體不僅產生彈性變形，而且還會產生不可恢復的塑性變形，土的彈塑性本構模型能較好地反映土體應力路徑、土的硬化和軟化特性[1]。本文采用有限差分軟件FLAC 3D進行計算，土體采用Mohr-Coulomb本構模型進行模擬，其余受力構件材料(包括混凝土)均采用線彈性本構進行模擬。Mohr-Coulomb塑性模型主要適用于在單調荷載下顆粒狀材料，在巖土工程中應用非常廣泛[2]。

Mohr-Coulomb模型屈服面函數為[3]：

F=Rmcq-ptanφ-c=0。

其中,φ為q—p應力面上Mohr-Coulomb屈服面的傾斜角，稱為材料的摩擦角，0°≤φ≤90°；c為材料的粘聚力；Rmc(θ,φ)按下式計算，其控制了屈服面在π平面的形狀。

3.2 計算模型和參數

計算模型斷面長170 m，寬110 m，高90 m，地基下表面為全約束，四周表面均為法向約束。擬采用依據施工過程改變網格本構模型(null,mohr,elastic等)技術模擬施工中的土體開挖、臨時支護拆除及永久支護施作過程，采用場變量技術更新注漿區材料的物理力學參數以真實模擬同步注漿、二次注漿對土體力學參數的改進效果[4]。數值仿真中，結合工程施工的實際施工工序，分部開挖土體，適時施作支護和襯砌結構等，其中土層彈性模量取為壓縮模量的3倍。

3.3 計算工況模擬

工況一(實際工況)：橫通道進洞→三線大斷面段開挖→雙線斷面段開挖→單線單洞開挖；工況二(比選)：大斷面段開挖→連拱段開挖→小凈距段大洞開挖→小凈距段小洞開挖；比選工況三：小凈距段小洞開挖→小凈距段大洞開挖→連拱段開挖→大斷面段開挖；以工況一為例來模擬基坑的開挖與支護。根據施工工序，整個工程土體開挖和地下結構施工模擬計算步驟如下：

1)計算在自重作用下，土體自重應力場；

2)利用改變網格本構模型及參數和施作結構單元等方法，模擬施工中的開挖支護等過程；

3)提取計算結果的應力位移，分別判斷結構是否處于安全狀態；

4)依次重復2)，3)步驟，直到整個施工過程結束。

4 計算結果分析

4.1 工況一計算及實際監測結果

分別選取不同隧道型式典型斷面計算，其中對三線隧道區段實際監控點的布設和實際拱頂累計沉降值，實際監測結果表明，除GDC1+375(中)點偏差較大之外，其余各監控點沉降值范圍為1 mm～5 mm，與數值計算結果3.5 mm接近，判斷所取參數較合理，結果可信。根據計算結果，橫通道、雙線隧道、單線隧道、三線隧道頂部沉降值均較小，橫通道與雙線隧道最大約2 mm，單線隧道最大約1.5 mm，三線隧道最大約3.5 mm；洞周收斂為0.2 mm～1.2 mm，遠小于控制基準，表明結構狀態為安全狀態。其中，拱頂部位移絕對值相較于其他部位最大，拱頂部位為受力控制薄弱點。

4.2 工況二計算結果

采用工況一同樣的參數，各隧道斷面拱頂最大豎向位移值結果表明：大斷面段向分岔段開挖，拱頂豎向位移較工況一增大，呈現從分岔段向大斷面段遞減趨勢；其中大斷面段拱頂變形范圍為0.2 mm～3 mm，連拱段拱頂變形范圍為0.7 mm～4.5 mm，小凈距段單洞拱頂變形范圍為3.7 mm～5.2 mm，小凈距段雙洞拱頂變形范圍為6.0 mm～6.6 mm。

4.3 工況三計算結果

采用工況三同樣的參數，各隧道斷面拱頂最大豎向位移值計算結果表明：小凈距段單洞往大斷面開挖，拱頂豎向位移較工況一增大，呈現從小凈距段向大斷面段變大趨勢；其中小凈距段單洞拱頂變形范圍為0.2 mm～2 mm，小凈距段雙洞拱頂變形范圍為0.3 mm～3 mm，連拱段拱頂變形范圍為1.5 mm～4.5 mm，大斷面段拱頂變形范圍為5.9 mm～6.4 mm。

4.4 工況二與工況三變形對比

開挖完畢后工況二與工況三拱頂最大豎向沉降對比看出，雖兩者最終的最大豎向位移差異很小，但工況二各開挖步斷面最大豎向位移大于工況三斷面最大豎向位移值。因此，從控制位移角度工況三比工況二較優。

5 結語

通過使用有限差分軟件FLAC 3D對10號線涼帽山車輛段出入線與2號牽出線Y型隧道進行計算分析，可以得到以下結論：

1)工況一采用橫通道作為復雜斷面轉換節點方案相比于工況二、工況三連拱隧道方案較優；

2)采用工況三較工況二變形控制上更優。