復(fù)合支護(hù)地鐵隧道臨時支護(hù)變形特征分析

摘 要：為進(jìn)一步提高地鐵隧道開挖過程中隧道圍巖的支護(hù)效果，本研究結(jié)合工程實(shí)際，考慮隧道受載不對稱、埋深淺、圍巖薄弱等特點(diǎn)，采用MIDAS有限元軟件分析二次開挖隧道臨時鋼支撐支護(hù)的影響效果及變形特征。試驗結(jié)果表明，受非對稱荷載影響，隧道右拱肩沉降明顯。臨時鋼支架的存在大大減少了拱肩處圍巖的沉降，左拱肩上的最大拉應(yīng)力從0.35MPa降至0.16MPa，下降了54.3%。同時，拉應(yīng)力范圍縮小，部分區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)由拉變?yōu)閴海欣趪鷰r的穩(wěn)定。上臺階臨時鋼支撐變形經(jīng)歷4個階段：收斂、擴(kuò)展、融合和穩(wěn)定；下臺階變形經(jīng)歷收斂、擴(kuò)張、收斂、擴(kuò)張、穩(wěn)定5個階段。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道；臨時支護(hù)；變形特征；鋼支撐

中圖分類號：U 45 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

當(dāng)在上軟下硬地層開挖淺埋地鐵隧道時，上覆地層容易出現(xiàn)過度沉降甚至坍塌。因此，為保障隧道開挖過程的安全和保證穩(wěn)定[1]，通常采用管頂進(jìn)行超前預(yù)加固，并采用中隔墻法（CDM）組合來開挖隧道，CDM可以在隧道中部預(yù)留鋼墻支護(hù)。國內(nèi)外隧道工程領(lǐng)域的專家從現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬和模型試驗3個方面對臨時支護(hù)進(jìn)行了大量研究[2-3]。

然而，上述研究大多是基于傳統(tǒng)地層，隧道挖掘方法較為簡單。在復(fù)雜地質(zhì)條件下的CDM隧道的挖掘過程中，對臨時鋼支承的影響和變形特性的研究較少，需要進(jìn)一步分析。基于此，本文以某地鐵3號線隧道為基礎(chǔ)，利用MIDASGSTSNX有限元軟件，建立淺層隧道的數(shù)值計算模型，并模擬非對稱荷載淺隧道的CDM挖掘過程。同時，分析臨時鋼支撐作用下圍巖變形的演化規(guī)律。該結(jié)果可以為類似大截面隧道挖掘提供新的理論依據(jù)。

1 工程背景和挖掘方法

1.1 工程地質(zhì)

某地鐵3號線隧道淺埋段穿越中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖。在該隧道右側(cè)，與隧道平行的山坡長度和高度分別為60m和30m，其斜率為1∶1[4-5]。在隧道頂部位置鉆孔可以獲得隧道上覆巖土層的信息[6]。本隧道風(fēng)化巖土層自上而下依次為基層填土、全風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查報告獲得地表以上土層的信息。表1為各地層的巖性、分布厚度和代表性符號。

隧道頂部范圍為強(qiáng)風(fēng)化泥巖。局部地段巖體節(jié)理、裂隙密集，自穩(wěn)性差。在開挖過程中，巖石容易剝落，甚至有局部坍塌的危險。為保障開挖安全，采用管頂預(yù)注漿加固冠部圍巖，并在隧道四周及時鋪設(shè)鋼格柵，且采用多根工字鋼縱向連接形成的垂直墻對冠部進(jìn)行支撐[7]。

1.2 隧道開挖方法

隧道埋深為10.7m，隧道斷面開挖高度10m，最大寬度13m，斷面面積約為102.6㎡。由于巖體破碎和單側(cè)山體側(cè)壓力的耦合作用，因此該大斷面隧道圍巖自穩(wěn)性較差，支護(hù)結(jié)構(gòu)存在遷移風(fēng)險。在施工過程中，隨著隧道工作面推進(jìn)，逐步采用管頂預(yù)注漿加固圍巖，并采用CDM法開挖隧道。具體技術(shù)流程如下。挖掘左側(cè)上部臺階（每步1m），同時安裝鋼格柵、臨時鋼支撐和鎖腳螺栓→挖掘左側(cè)下臺階（每步1m），同時安裝鋼格柵、錨桿和臨時鋼支撐→挖掘右側(cè)上臺階（每步1m），同時安裝鋼格柵和鎖腳螺栓→挖掘右側(cè)下臺階（每步1m），同時安裝鋼格柵和錨固件，逐步進(jìn)行循環(huán)挖掘。

隧道側(cè)壁上有4個錨桿，長度為4m，縱向間距為1m，錨桿性能見表2。圍巖支護(hù)采用C25混凝土，噴射混凝土厚度為18cm。臨時鋼支撐采用18號工字鋼，其彈性模量為210GPa，截面慣性矩為1659.45cm4。鋼格柵由?25mm主鋼筋和?14mm連接鋼筋組成。其彈性模量為210GPa，橫截面慣性矩為3686.76cm4。

隧道臨時鋼支撐為細(xì)長結(jié)構(gòu)。考慮隧道開挖過程中容易出現(xiàn)失穩(wěn)，為保證其穩(wěn)定性，底部采用特殊的鋼板結(jié)構(gòu)支座，支座采用螺栓固定。圖1為臨時鋼支撐下端的固定方式。

2 數(shù)值分析

2.1 建筑模型

采用MIDASGTSNX有限元軟件，用CDM模擬該隧道的開挖過程。計算范圍：X×Y×Z=90m×60m×50m，如圖2所示。邊界條件：在模型的前、后、左、右邊界上施加水平位移約束。在底部邊界施加垂直位移約束。表面為自由邊界。

網(wǎng)格劃分：地層、擋土墻和注漿加固區(qū)采用六面體實(shí)體單元模擬，單元數(shù)為161769個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為143226個。管頂、臨時鋼支撐和連接鋼筋采用梁單元模擬，單元數(shù)為5680個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為5819個。鋼格柵、隧道側(cè)壁和混凝土噴射層采用板元素模擬，元素數(shù)為4569，節(jié)點(diǎn)數(shù)為5158。錨桿采用嵌入式桁架元素，元素數(shù)為2898，節(jié)點(diǎn)數(shù)為3556。元素總數(shù)為174916個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為157759個。

2.2 基本假設(shè)

鑒于地下隧道段的位置，地層自上而下由路基填土、全風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖組成。隧道開挖的數(shù)值模擬符合以下假設(shè)。1）將各地質(zhì)層、管頂注漿和固體視為均質(zhì)各向同性介質(zhì)。2）隧道圍巖、臨時鋼支架和管頂灌漿的變形和破壞符合經(jīng)典彈塑性理論。3）不考慮隧道開挖引起的擾動對結(jié)構(gòu)本身的影響和構(gòu)造應(yīng)力的影響，只考慮自重對結(jié)構(gòu)自身的影響。采用MIDAS軟件中的圍巖重力計算初始水平應(yīng)力。在數(shù)值模擬過程中，建立隧道開挖的三維模型，進(jìn)一步分析臨時鋼支撐的影響，并研究隧道開挖過程中臨時鋼支撐對圍巖壓力和位移的影響，并對其應(yīng)力和變形進(jìn)行分析。共設(shè)置6個測量點(diǎn)（A、B、C、D、E和F）來監(jiān)測拱頂和拱肩的沉降，并設(shè)置兩條水平測量線（1-1和1-2），分析臨時鋼支架的水平位移。

3 結(jié)果與討論

3.1 圍巖應(yīng)力

在開挖過程中，圍巖的破壞與圍巖的最大主應(yīng)力有關(guān)。因此，本文分析了灌漿區(qū)及其他部位圍巖的最大主應(yīng)力。圖3為開挖過程中圍巖的應(yīng)力分布情況。

在有無臨時鋼支撐的隧道開挖過程中，圍巖第一主應(yīng)力的分布是一致的。所有開挖完成后，最大拉應(yīng)力從1.12 MPa變?yōu)?.90 MPa，最大壓應(yīng)力從?1.19 MPa變?yōu)?1.07 MPa。變化并不明顯。臨時鋼支撐對圍巖第一主應(yīng)力極值的影響可以忽略不計。受不對稱荷載的影響，隧道周圍的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱肩和隧道底部附近。臨時鋼支撐有利于改善隧道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，特別是左拱肩和隧道底部的圍巖應(yīng)力。對比圖3（b）和圖3（d），在臨時鋼支架安裝后，左拱肩上的最大拉應(yīng)力從0.35 MPa降至0.16 MPa，下降了54.3%。同時，拉應(yīng)力范圍縮小，部分區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)由拉變?yōu)閴海欣趪鷰r穩(wěn)定。臨時鋼支撐使左拱肩圍巖的應(yīng)力分布更加合理。在隧道開挖過程中，臨時鋼支架兩端的圍巖產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，容易發(fā)生局部破壞。臨時鋼支撐應(yīng)注意柔性支撐設(shè)計。

3.2 臨時鋼支撐的力學(xué)特性分析

在隧道開挖過程中，左上臺階①位于隧道的左側(cè)上部。左下臺階②位于隧道的左側(cè)下部，右上臺階③位于隧道的右側(cè)上部，右下臺階④位于隧道的右側(cè)下部。采用MIDAS提取橫截面y=30m的兩條水平測量線1-1和1-2的數(shù)據(jù)。隧道開挖過程的收斂變化如圖4所示。從圖4可以看出，上、下臺臨時鋼支撐相對水平收斂的變化規(guī)律基本相同。在開挖過程中，上、下臺鋼支撐的最大收斂量分別為-8.9mm和-11.9mm，最大膨脹量分別為6.9mm和17.5mm。左上臺階①開挖后，上臺階鋼支撐（測量線1-1）的水平收斂迅速增至-6.6mm。左下臺階②開挖后，水平收斂逐漸增至-6.9mm。此時，臨時鋼支撐承受垂直圍巖壓力和側(cè)向土壓力。隨著開挖的逐步推進(jìn)，壓力增加，水平收斂也隨之變大。同時，下部臺階鋼支撐（1-2號測量線）的水平收斂迅速增至11.0mm。右上臺階③開挖后，上臺階鋼支撐相對水平位移由-6.4mm變?yōu)?.9mm，變化幅度為13.3mm。變化主要原因為右上臺階③開挖時，上臺階鋼支架右側(cè)土壓力釋放，其相對水平位移狀態(tài)由收斂逐漸變?yōu)榕蛎洝Ｍ瑫r，下臺階鋼支架的相對水平位移從?11.0mm增至17.5mm，增幅為28.5mm。右上臺階③開挖使下臺階鋼支撐右側(cè)的土壓力進(jìn)一步釋放，導(dǎo)致其收斂值減少。臨時鋼支撐收斂和擴(kuò)張分別向左和向右移動。左上臺階①和下臺階②開挖會使臨時鋼支架收斂，右上臺階③和下臺階④開挖會引起膨脹。上臺階鋼支架變形主要受左上臺階①和右上臺階③開挖的影響，下臺階鋼支架的變形主要受右上臺階②和下臺階④開挖的影響。上部臺階鋼支架的變形經(jīng)歷4個階段：收斂、膨脹、收斂和穩(wěn)定。下臺階鋼支架的變形經(jīng)歷了收斂、膨脹、收斂、膨脹和穩(wěn)定這5個階段。

4 結(jié)論

結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，本文探討非對稱加載隧道開挖過程中臨時鋼支撐的變形和力學(xué)特性。得出以下結(jié)論。1）在有無臨時鋼支撐的隧道開挖模擬過程中，周圍的應(yīng)力分布基本相同。鋼支撐使左幅最大拉應(yīng)力從0.35MPa降至0.16MPa，降幅達(dá)到54.3%。同時，拉應(yīng)力區(qū)域面積縮小，更有利于圍巖的穩(wěn)定。2）上、下臺臨時鋼支撐相對水平收斂的變化規(guī)律基本相同。在開挖過程中，上、下臺鋼支撐的最大收斂量分別為-8.9mm和-11.9mm，最大膨脹量分別為6.9mm和17.5mm。

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