大斷面淺埋暗挖隧道施工穩定性分析及安全預警

李 茂 達

(山西建設投資集團有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

隨著城市化進程的推進，各大城市均修建了地鐵。雖然，我國已經積累了豐富的設計和施工經驗，但面對地下巖土的復雜性還是發生了較多的安全事故[1]。為此國內外學者對隧道地表變形特征、圍巖壓力特征、開挖方法、支護結構類型及圍巖參數等方面進行了研究分析。趙東平等[2]對大跨度隧道施工采用的CD法和CRD法進行了數值模擬，分析了不同施工方法下隧道圍巖的應力場和位移場；劉建平等[3]通過對大斷面隧道開挖引起地表變形的數值模擬，研究了采用不同施工方法開挖隧道引起地表變形的規律；張建斌[4]對大斷面淺埋暗挖CRD法施工初期支護的安全性進行了研究，發現中隔墻上部與初期支護拱頂交接部位是CRD法施工初期支護的薄弱環節。因此，選擇合理的施工方法成為大斷面淺埋暗挖隧道施工技術的關鍵。本文借助ANSYS軟件對該地鐵施工采用CRD法和雙側壁導坑法進行數值模擬，通過對施工時圍巖的位移場、應力場和支護結構內力的對比分析，結合現場雙側壁導坑法施工時的監測數據對圍巖的穩定性進行分析，并提出合理化施工建議。

1 工程概況及數值模擬

某市地鐵南停車場S1型斷面淺埋暗挖段隧道為單洞雙線隧道，長161.8 m，開挖寬度11.88 m，高度9.55 m，隧道最大埋深14.5 m，最小埋深5.4 m，結構支護形式為噴射混凝土、鋼筋網、格柵鋼架和二次襯砌組成的復合式襯砌。隧道地質條件較差，圍巖級別為Ⅴ類，地表上層為黃土狀雜填土，層厚介于1.0 m～4.1 m，其下為粉質粘土層，具有弱濕陷性。隧道主要穿越粉質粘土層，地下水類型為孔隙潛水，埋藏較深，對隧道施工和結構安全影響較小。

圍巖及材料物理力學參數見表1。

表1 圍巖及材料物理力學參數

本文ANSYS數值仿真采用地層結構模型，僅考慮土體自重應力，假定土體為連續、均勻、各向同性的介質。采用D-P屈服準則，按平面應變問題進行模擬。圍巖采用實體單元模擬，噴射混凝土和鋼拱架采用梁單元模擬，格柵鋼架采用等效折算理論[5,6]。

2 計算結果的對比分析

2.1 圍巖位移場對比分析

兩種施工方法開挖引起的圍巖豎向位移及各個導洞開挖引起的地表沉降如圖1所示。

由圖1,表2可知：1)CRD法開挖引起的地表沉降最大值為8.4 mm，位于隧道中心線左側2 m附近；雙側壁導坑法開挖引起的地表最大沉降值為8.1 mm，位于隧道中心線上；雙側壁導坑法開挖地表沉降對稱，易于采取加強措施。CRD法開挖引起的地表沉降槽寬度約為70 m，雙側壁導坑法開挖引起的地表沉降槽寬度約為60 m，是CRD法開挖的0.86倍，可以有效降低對臨近建筑物的影響。2)CRD法開挖和雙側壁導坑法開挖引起的地表最大沉降值分別為16.0 mm和15.7 mm，兩種方法開挖引起圍巖豎向拱底隆起位移分別為21.9 mm和21.8 mm；由此可見，采用雙側壁導坑法、CRD法開挖對圍巖地表最大沉降和拱底隆起位移影響不明顯，具體對比如表2所示。

表2 CRD法開挖和雙側壁導坑法開挖引起的圍巖變化表 mm

2.2 圍巖應力場對比分析

兩種開挖方法下引起的圍巖豎向應力變化如圖2所示。

由圖2可知：兩種方法開挖在臨時豎撐和拱頂初期支護連接處出現明顯的應力集中，仰拱和拱腰處也出現了應力集中。1)CRD法和雙側壁導坑法在開挖卸荷后，拱頂圍巖應力逐漸減小，CRD法的應力最終穩定在0.21 MPa，雙側壁導坑法的應力最終穩定在0.07 MPa，是CRD法開挖應力的0.33倍；2)CRD法和雙側壁導坑法開挖引起的拱底應力均逐漸減小，CRD法的應力最終穩定在0.23 MPa，雙側壁導坑法的應力穩定在0.09 MPa，是CRD法開挖應力的0.4倍；3)整個開挖過程中,雙側壁導坑法開挖引起的臨時橫撐與初期支護連接處的應力均小于CRD法；臨時橫撐下部土體開挖均引起連接處應力的減小，但兩種施工方法引起的變化規律基本一致，如表3所示。

表3 臨時橫撐與支護連接處應力成果表 MPa

2.3 支護結構內力狀態對比分析

CRD法和雙側壁導坑法開挖后對整個支護結構的內力狀態分別如圖3,圖4所示。

雙側壁導坑法和CRD法開挖在臨時支護和初期支護連接處均出現應力集中。施工時,應加強臨時支護與初期支護連接處的節點設計，確保施工安全。開挖過程中，CRD法開挖引起的最大彎矩為541.73 kN·m，最大軸力為1 300.0 kN。雙側壁導坑法引起的最大彎矩為387.84 kN·m，為CRD法的72%，最大軸力為1 160.0 kN，為雙側壁導坑法的0.89%；由此可知，雙側壁導坑法的支護結構的內力分布對稱，其內力狀態優于CRD法。

3 雙側壁導坑法監測成果分析

選取隧道K1+010斷面1號導洞進行拱頂沉降和凈空收斂監測，其拱頂沉降和收斂變化規律見圖5,圖6。

由圖5,圖6可知：1)隧道拱頂沉降值和凈空收斂值的變化規律基本一致，可分為三個階段：增長階段，趨向平穩階段和穩定階段，符合“S”型沉降曲線。2)第1天～第28天，拱頂累計沉降為13.8 mm，沉降速率為-1.1 mm/d～0.2 mm/d；隧道收斂值為8.9 mm，收斂速率為-0.8 mm/d～1.3 mm/d；拱頂沉降和隧道收斂速率均變化較大。第28天～第35天，拱頂累計沉降為14.5 mm，拱頂沉降速率為-0.4 mm/d～-0.1 mm/d；隧道收斂值為9.5 mm，收斂速率為-0.6 mm/d～0.4 mm/d；拱頂沉降和隧道收斂逐漸趨于穩定。第35天之后，拱頂沉降和水平收斂達到穩定，其拱頂累計沉降為14.6 mm，隧道收斂值為9.7 mm；拱頂沉降和隧道收斂基本處于穩定狀態。由此可知，雙側壁導坑法開挖引起的拱頂沉降和凈空收斂集中發生在第1天～第28天，拱頂累計沉降值為總沉降值的94.5%，凈空收斂值為收斂總值的91.8%，此階段應提高監測頻率，加強支護強度，確保施工安全。從第28天開始圍巖變形逐漸趨于穩定，第28天時拱頂累計沉降值為最終累計沉降值的99.3%，收斂值為最終累計收斂值的97.9%，可拆除臨時支撐，施作二次襯砌。

4 結語

通過對大斷面隧道CRD法和雙側壁導坑法開挖過程的數值模擬，結合現場的監測數據，對比得出如下結論：

1)雙側壁導坑法開挖引起的拱頂最大沉降為15.7 mm，地表最大沉降為8.1 mm，地表沉降槽寬度約為60 m，是CRD法開挖引起拱頂最大沉降的0.98倍、地表最大沉降的0.96倍、地表沉降槽寬度的0.86倍，其值均小于CRD法開挖，對隧道開挖附近有建筑物的工程有明顯的改善作用。

2)CRD法和雙側壁導坑法施工時，臨時豎撐與拱部初期支護處、臨時橫撐與拱部初期支護處均易出現應力集中，可采用提高鋼拱架節點的焊接質量或者增加支護結構局部厚度來改善受力。同時，現場施工時還應根據動態監測結果，圍繞圍巖動態變形理論適時的加強支護結構。

3)雙側壁導坑法開挖過程中支護結構的內力變化明顯優于CRD法，其開挖引起的最大彎矩為387.84 kN·m，最大軸力為1 160.0 kN，是CRD法開挖引起最大彎矩的0.72倍，最大軸力的0.89倍。

4)通過對雙側壁導坑法施工階段監測數據分析，可知拱頂沉降及凈空收斂集中發生在第1天～第28天，累計沉降達到總沉降值的94.5%，收斂值達到總收斂值的91.8%。從第28天后，圍巖變形趨于穩定，拱頂累計沉降值達到最終沉降值的96.7%，收斂值達到最終收斂值的91.7%，此時宜拆除臨時支撐，施作二次襯砌。

綜上所述，對于大斷面淺埋暗挖隧道，采用雙側壁導坑法開挖引起的圍巖位移場、應力場和支護結構內力狀態均優于CRD法，在實際施工時應優先考慮采用雙側壁導坑法。