軟弱破碎圍巖地鐵隧道施工工法數值仿真★

陳慧雨，齊棟梁

(河北水利電力學院,河北 滄州 061001)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展,地鐵作為整個城市交通系統的重要組成部分,不僅有效地緩解了城市交通壓力,更是在促進城市區域發展、提升城市形象、改善城市居住環境等諸多方面具有重要的支撐作用。此外,為減少對地面周圍建筑環境、道路交通和地下管線的影響,地鐵隧道結構設計的合理性及開挖方法適用性一直都是城市地鐵建設工程重點關注的問題[1-3]。

為了提升地鐵隧道穿越軟弱破碎巖體時的安全性,國內諸多學者已經做了大量研究工作。其中,臺階法施工具有靈活多變且適用性強的優點,被廣泛應用于軟弱圍巖隧道工程中。蔣亮等[4]利用FLAC3D軟件模擬了Ⅳ級軟弱圍巖隧道采用臺階法施工,研究分析了不同臺階長度開挖所引起的拱頂和地表變形情況。劉招偉等[5]基于蒙華鐵路段Ⅴ級圍巖家坪隧道工程,提出了仰供開挖、支護與下臺階同步進行的一次開挖施工技術。楊招等[6]以西安地鐵6號線區間隧道工程為依托,提出了一種適用于地裂縫破碎帶的優化CRD施工方法。另一方面,我國地鐵隧道工程逐漸趨于大斷面化甚至特大斷面化,這對傳統臺階法的適用性、經濟性和安全性提出了更高的要求。王丙坤等[7]針對海螺峪大斷面破碎圍巖隧道開展了隧道臺階法施工優化研究。黃小明等[8]基于新白石扁平特大斷面隧道工程,對比分析了三臺階法和CD法兩種開挖方法的圍巖-支護力學響應。孫引浩[9]依托后嶺下隧道,研究了變截面臺階法開挖引起的圍巖變形特性,為變截面隧道工程中過渡段安全施工提供了一定技術指導。

本文以青島地鐵4號線某區間隧道工程為依托,結合該工程地質勘察資料及相關設計資料,建立了Midas-GTS有限元分析模型,全過程模擬了兩種不同斷面隧道采用上下臺階法和交叉中隔壁法(CRD)施工流程,分析了軟弱破碎圍巖地鐵隧道開挖所引起的拱頂及周圍地層應力、位移變化,相應數值模擬結果可為類似地鐵隧道暗挖施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

青島地鐵4號線某區間隧道全長1 028 m,圖1給出了該區間隧道線路縱斷面,地面高程約為26.77 m～28.84 m;最大線路縱坡為27‰,為V型坡隧道。該區間隧道的土層從上至下為:素填土、粉質黏土、中粗砂和風化花崗巖,局部有強風化煌斑巖巖脈。素填土厚度1.8 m～2.4 m,填土層土質松散、土質不均勻、穩定性差;粉質黏土厚度3.2 m～8.8 m,呈軟塑—硬塑狀,穩定性較差;粗礫砂厚度0.0 m～8.0 m,飽和,穩定性差;最下層為Ⅳ級—Ⅴ級花崗巖,其巖質極為破碎,有較低的穩定性。此外,地下水埋深1.3 m～5.2 m,主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水,第四系孔隙水主要賦存于砂層,富水性較好,基巖裂隙水主要賦存于強風化花崗巖裂隙中,富水性較差。

依據地質勘查報告和相關設計資料,隧道斷面擬設計為單洞單線和雙線兩種結構方案,圖2給出了單洞單線和雙線隧道復合式襯砌斷面設計結果。

2 數值仿真

由于該區間隧道圍巖破碎且穩定性較差,綜合考慮施工安全、工程造價以及對周圍環境影響等諸多因素,確定單洞單線隧道方案擬采用上下臺階法進行施工開挖,單洞雙線隧道方案采用CRD法進行施工開挖。同時,為了驗證隧道襯砌設計的合理性及開挖方法的有效性,利用Midas-GTS有限元分析軟件建立了單洞單線和雙線隧道斷面的數值分析模型,基于Mohr-Coulomb本構模型全過程模擬了各隧道斷面開挖和支護的整個施工流程。在施工過程模擬中,通過殺死單元屬性的形式來模擬土體開挖,通過激活單元屬性的形式來模擬施加支護結構。

2.1 單線馬蹄形隧道數值建模

根據區間隧道線路縱斷面選取所模擬的隧道地質斷面,建立了相應的數值模擬模型,如圖3所示。其中,隧道開挖寬度為6.3 m,高度為6.729 m,覆蓋巖土層厚度為11.6 m,模型水平寬度取為35 m。在數值模擬過程中,模型土層采用四邊形單元,錨桿采用的是桿單元,襯砌部分采用的是梁單元;模型兩端邊界處施加水平方向約束,對模型底部施加水平與豎直方向約束;將開挖部分分成上下兩個臺階,按照施工工序依次進行開挖模擬。表1列出了數值模擬中所采用的相關力學參數。

表1 圍巖及支護結構的物理力學參數

2.2 單線馬蹄形隧道臺階法施工模擬

針對單線馬蹄形隧道采用中臺階機械式開挖方法,其施工順序為:開挖完第一臺階土層后,進行襯砌與錨桿支護;再開挖第二臺階土進行襯砌與錨桿支護。其中,上臺階土厚3.4 m,下臺階土厚3.329 m。圖4給出了該隧道斷面施工開挖支護后的數值模擬結果云圖,通過殺死該部分單元模擬土層開挖,并激活開挖區域范圍錨桿與襯砌混凝土單元的材料屬性,進而模擬分析隧道支護后周圍地層變形及應力重分布情況。

從圖4中可直觀地看出,開挖上臺階并及時進行支護后的拱頂豎向位移為0.196 mm,上臺階的兩端角位置處發生應力集中現象,最大豎向應力為597.3 kPa;當隧道范圍內土體全部開挖完后,拱頂最大豎向位移約為0.210 mm,遠小于Q/CR 9218—2015鐵路隧道監控量測技術規程[10]所要求的拱頂下沉量限值,且仰拱隆起的位移可忽略不計;此外,下臺階支護完成后使整個隧道斷面受力變得較為均勻,緩解了因上臺階開挖所導致的側壁應力集中。與此同時,圖5給出了馬蹄形單線隧道臺階法施工的地層總應力和總位移分布模擬結果,從圖5可以看出,隧道圍巖位移變形較小,進一步驗證了該馬蹄形單線隧道襯砌設計的合理性及采用臺階法施工的有效性。

2.3 雙線馬蹄形隧道數值建模

類似于前文單洞單線隧道施工數值模擬過程,根據區間隧道線路縱斷面選取了圖6(a)所示的單洞雙線隧道地質剖面,雙線隧道外輪廓斷面寬度為11.8 m,高度為9.3 m,模型的水平寬度取為50 m;圖6(b)為相應CRD法施工的數值計算模型,其中隧道內范圍土體被劃分為上中下三個臺階,并被中隔壁劃分為了六個區域,第三個臺階土層厚為2.5 m,其余臺階土層厚均為3.4 m。同時,表2列出了數值模擬中所采用的相關物理力學參數。

表2 圍巖及支護結構的物理力學參數

2.4 單洞雙線隧道CRD法施工模擬

采用CRD法進行隧道開挖的數值模擬工序依次為:首先,開挖上部左側上臺階,激活上部洞身的支護結構單元屬性(如打設系統錨桿、初噴混凝土、中隔壁施工);隨后,開挖左側中臺階,激活左側洞身中臺階支護結構單元屬性;接著,再依次開挖右側上、中臺階的土體,并激活相應的支護結構單元屬性;最后,依次開挖下臺階土體,拆除中隔壁,并激活仰供支護結構屬性。相應數值模擬結果如圖7,圖8所示。

由圖7總應力分布模擬結果可以看出,初始左上臺階開挖支護后,在開挖區域各端點易發生應力集中效應;隨著隧道斷面分步開挖,圍巖應力得到逐步釋放,隧道拱頂和仰供中部區域圍巖壓力由中隔壁來傳遞,導致該處巖體應力和側墻底部應力偏大;直至整個隧道斷面支護結構封閉,總應力變化才趨于平緩。上述應力模擬結果,在一定程度上可為指導隧道工程安全施工提供一定借鑒和參考。另一方面,圖8給出了雙線隧道開挖支護后總位移分布模擬結果,從圖中可以看出,隨著隧道斷面分臺階開挖,拱頂處的總位移也逐漸升高,最終總位移達到了65.86 mm,仰拱隆起值為18.82 mm。根據TB 10003—2016鐵路隧道設計規范[11]可知,跨度為8.5 m～12 m的Ⅴ級圍巖隧道復合襯砌預留變形量為80 mm～120 mm,上述收斂變形模擬結果滿足規范要求,設計合理且風險可控。

3 結論

依托于青島4號線某軟弱破碎圍巖段地鐵隧道工程,對單洞單線與雙線馬蹄形隧道斷面的設計方案進行了合理性分析,并借助有限軟件模擬了該兩種斷面分別采用上下臺階法和交叉中隔壁法(CRD)的施工開挖過程,數值模擬結果表明:

1)上下臺階法在小斷面地鐵隧道施工中,引起隧道拱頂變形較小,施工安全性較高。

2)針對圍巖穩定性較差且中大斷面的地鐵隧道,采用交叉中隔壁(CRD)法進行施工開挖,中隔壁處產生應力集中效應且該處往往巖體應力略大,故應特別注意中隔壁結構設計的安全性,避免因設計不合理導致其變形過大,發生工程事故。此外,CRD法分步開挖支護有利于圍巖變形控制且提供了充足施工作業空間,因此特別適用于軟弱破碎圍巖隧道施工。