貴陽軌道交通區間隧道懸臂掘進機施工工法研究

莫忠毅 劉遠明 馬智理

摘 要：貴陽軌道交通工程通區間隧道是建設工程中的難點。貴陽軌道交通3號線區間隧道主要采用懸臂掘進機施工。依據貴陽市軌道3號線某區間隧道施工方案，對貴陽市軌道交通區間隧道懸臂掘進機施工工法數值模擬分析。研究成果可為類似工程提供參考。

關鍵詞：軌道交通;隧道;懸臂掘進機;數值模擬;施工工法

1 工程概況

貴陽軌道交通3號線某標段區間隧道左線長度1 009.343 m;右線長度1 001.465 m。左右線間距為11.0 m～19.0 m，隧頂埋深約6.7 m～117.8 m。沿線巖體結構以層狀巖體為主，圍巖為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，襯砌類型為復合式襯砌。采用懸臂掘進機法施工。

2 建立數值模型

2.1 數值模型

建立數值分析模型時，隧道埋深取為30 m，隧道兩側單元取至隧道外輪廓30 m，如圖1。巖土體采用摩爾庫倫本構模型，支護結構考慮材料的彈性模量和泊松比，噴射混凝土厚度為23 cm、強度為C20。錨桿可將周邊的巖體連接為一個加固區，經過錨桿等效原則后它能夠提升圍巖的E、c、值。以IV級圍巖為例，其力學參數見表 1。

2.2 開挖方法

建模完成后，先模擬地應力的釋放，再進行初期支護，最后模擬懸臂掘進機開挖。基于貴陽軌道交通3號線實際的工程地質情況，全斷面法每一次掘進2 m，由下至上左右循環依次開挖。二臺階法采用超前開挖，上臺階超前2 m。

隧道總掘進16 m，以2 m長度為一個開挖區間，共設定8個特征斷面，依次為C1～C8，每個特征斷面對應的初期支護依次分為T1～T8。對于C3斷面，在拱頂設置8個監測點，拱腰附近設置12個監測點，監測圍巖變形。測點布置說明見圖2。

3 施工工法力學特性數值模擬分析

3.1 圍巖變形

以特征斷面C3為例，全斷面法、二臺階法的拱頂沉降值依次是1.57 mm、1.61 mm。兩種工法各個部位水平位移比較見表2，圍巖變形趨勢是拱頂下沉伴隨兩側拱腰收斂同時仰拱向上隆起。

3.2 塑性區

全斷面施工法與二臺階法施工法引起的塑性區見圖3～4。圍巖產生的塑性區主要分布在左右側，全斷面施工工法塑性區的塑性應變值較大，二臺階施工工法則較小。

3.3 初期支護彎矩與軸力

以T3初期支護為例，在隧道的拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底設置監測點進行監測，各測點彎矩與軸力值見表3～4。全斷面法各測點的彎矩值比二臺階法相對應測點的彎矩值大;軸力值表現出同樣的規律，全斷面法各測點的軸力值較二臺階法產生的軸力值要大。

4 小結

本文采用數值模擬方法分析了貴陽軌道交通區間隧道施工采用懸臂掘進機時， 全斷面法與二臺階法在圍巖變形、塑性區、初期支護的彎矩與軸力上的差異，主要結論如下：

（1）全斷面法施工產生的位移比二臺階法產生的位移大。兩工法最大收斂均小于0.7%，拱腰收斂符合要求。最大塑性應變值全斷面施工工法施工法比二臺階施工工法要大。

（2）初期支護產生的軸力，全斷面施工法較大，二臺階施工法較小。在拱肩部位兩種施工工法都表現為最大正彎矩，在拱腳部位都表現為最大負彎矩。

參考文獻：

[1]李紅衛.貴陽喀斯特地貌山地城市軌道交通修建技術創新與實踐.北京：人民交通出版社股份有限公司，2019.

[2]王均.貴陽地鐵懸臂掘進機隧道開挖對圍巖變形及控制探討[J].公路隧道，2017（4）：15-21.

[3]韓常領，張為民，趙永國.銑挖法在軟巖隧道開挖中的應用[J].中外公路，2009，29（4）：377-379.

[4]張博.懸臂式掘進機銑挖法隧道掘進工藝及適應性研究[D].大連交通大學，2018.

[5]楊友彬，鄭俊杰，賴漢江.一種改進的隧道開挖應力釋放率確定方法[J].巖石力學與工程學報，2015，34（11）：2251-2257.