武漢地鐵27號線聯絡通道礦山法施工數值計算分析

劉玉發，鄒玉強

（1.中國葛洲壩集團市政工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.武漢中隧軌道交通工程技術有限公司，湖北 武漢 430080）

1 工程概況

1.1 工程簡介

起新1#聯絡通道位于武漢市洪山區文化大道西側，距離文化大道約40.22m，結構頂面距地面埋深約15m，地下無管線。根據其斷面大小、埋深、地質、地下水情況及周邊環境條件等因素確定采用噴錨暗挖法（礦山法）施工。開挖過程遵循“管超前，嚴注漿、短開挖，強支護、快封閉，勤量測”的原則，在初期支護達到設計強度并根據監測結果基本穩定后，及時施作防水層和二次襯砌。為保證開挖施工安全，減小隧道及地面沉降，開挖前對場內土層采用三軸攪拌樁+洞內補充注漿加固。布置三軸攪拌樁Φ850@600共442根，采用P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.6～0.8，加固體28d無側限抗壓強度≥1.0MPa，抗滲系數＜1.0×10-7cm/s。

1.2 支護參數

圖1 標準橫斷面

1.3 工程地質情況

起新1#聯絡通道主要位于6-1粉質黏土中，下伏礫卵石層及強風化泥質粉砂巖，上覆3-2粉質黏土、3-1黏土、1-1雜填土。場地位置如圖2所示，土層參數參考本工程地質勘查報告及本地區類似工程反饋的巖土物理力學參數，如表1所示。

2 有限元模擬計算

2.1 數值模型建立

圖2 場地工程地質條件

表1 場地巖土物理力學參數

數值模擬計算采用Midas-GTS巖土有限元軟件。建模時，土層采用平面應變單元模擬，本構采用修正摩爾庫倫本構；初支與二襯結構均采用1D梁單元模擬（在第一次析取梁單元生成初支結構的基礎上，再次析取梁單元生成二襯結構，從而保證二者計算節點的耦合），場內地面超載20kPa；考慮到模型邊界范圍對計算精度的影響，本次模型邊界范圍采用開挖尺寸的3～5倍。

2.2 數值模擬結果分析

（1）工況分析。為驗證在噴錨暗挖法中在開挖前對土體預加固預處理的重要性，研究分析了以下兩種工況下的變形。①對比分析了土層在未加固情況下與在三軸攪拌及洞內補充注漿加固后的開挖變形值，如圖3所示。計算表明：土層未加固的變形值整體上是加固后變形值的2倍左右，同時開挖完成后二襯結構變形大，遠遠超過了規范所要求的變形控制標準。②在三軸攪拌加固的情況下，對比分析了洞內補充注漿加固與否后的初支與二襯變形值，如圖4、圖5所示。計算結果表明：第一，洞內超前小導管補充注漿與否，在拱頂與側墻連接處均出現了應力集中，在實際施工過程中，采用鎖腳錨桿對該部分進行加固處理；第二，超前小導管注漿與否對拱頂的影響要遠大于對拱腰的影響，超前小導管注漿可以減少掌子面土層的受力，把一定范圍內土層結成整體，從而提高開挖上部土層的剛度和強度，保證隧道開挖穩定。

圖3 土體開挖變形對比分析

圖4 初支變形值（在三軸加固情況下）

圖5 二襯變形值（在三軸加固情況下）

通過以上兩種工況下模擬計算的變形對比，體現了在噴錨暗挖法中對土體預加固預處理的重要性。

（2）支護結構受力分析。通過計算分析確定哪些部位的變形量大，在實際施工中，重點關注這些部位，為實際施工提供指導。鑒于地下工程支護結構主要為受彎構件，土層加固與洞內補充注漿下初支與二襯彎矩圖如圖6、圖7所示。

圖6 初支彎矩圖

圖7 二襯彎矩圖

3 監測方案及數據分析

3.1 監測方案與控制標準

根據隧道監測點位布置方案及相關規范，其監測點布置如圖8所示。監測項目報警值一般由累計值和變化速率兩方面控制，監測控制標準如表2所示。

圖8 起新1#聯絡通道斷面測點布置示意圖

表2 施工位移監控量測值控制標準

3.2 監測結果分析

在隧道開挖過程中，地表變形量、開挖斷面拱頂及側向水平變形量是反映隧道開挖安全與否最直觀可靠的表現，是隧道開挖監測中的關鍵性指標。在起新1#聯絡通道全過程施工中，地表變形量、開挖斷面拱頂變形量及側向水平變形量每天實際監測值和累計變形監測值如圖9、圖10所示。

圖9 每天實際監測值

圖10 累計變形監測值

從圖9和圖10中可以看出：隨著土方的開挖，上述三種變形值是一個動態變化的過程。考慮到隧道開挖初期支護是一個隨挖隨支的過程，開挖至第33d，該聯絡通道全斷面開挖貫通，在還未施作二襯結構的情況下，此時上述三種變形值達到最大，并且在停止開挖之后，仍呈現慢性增大的趨勢，即時空效應。在第44d二襯結構施工完成之后，伴隨著二襯結構混凝土強度的上升，變形值越來越小，并基本結束。

4 模擬與實測結果對比分析

在主要工序下該聯絡通道有限元模擬計算值與實際累計變形監測值的對比如圖11所示。由于建模時二襯結構單元是在初支單元的基礎上析取得到，未考慮二者之間的相互滑移，因此造成了隧道凈空內的水平及拱頂的計算變形值在初支及二襯時幾乎一致。同時，沒有突變值體現了支護結構具有足夠的強度和剛度，反映了支護結構參數設計的合理性。

圖11 有限元模擬計算值與實際累計變形監測值的對比

水平計算值與水平監測值存在較大的誤差，這是因為在有限元計算中考慮了地面超載引起的側向土壓力使得水平計算值變大。目前巖土本構模型的局限性以及巖土材料的敏感性，也是造成誤差的主要原因之一。總體而言，數值模擬結果與實際監測結果較為吻合，一定程度上可反映實際情況。

5 結束語

通過以上有限元理論計算值與實際監測值對比分析，可得到如下結論：

（1）在采用噴錨暗挖法對隧道的開挖施工過程中，要嚴格遵守噴錨暗挖法的18字方針。尤其是要清楚在開挖前對土體預加固預處理的重要性，為開挖面提供一個安全可靠的作業環境。

（2）超前小導管注漿與否對拱頂的影響要遠大于對拱腰的影響。超前小導管注漿可以減少掌子面土層的受力，把一定范圍內土層結成整體，提高開挖面上部一定范圍內土層的剛度和強度，保證開挖面穩定。

（3）利用Midas-GTS對隧道開挖過程變形的模擬是可行的，考慮到巖土材料的敏感性以及目前巖土本構方程的局限性，模擬值與監測值雖然存在一定的誤差，但是總體變形趨勢一致，能夠比較清晰地反映實際情況，在實際施工過程中具有一定的可行性與指導性。