淺埋暗挖隧道施工性態的數值模擬與分析

王紹君  劉宗仁  陶夏新

哈爾濱工業大學　黑龍江哈爾濱l50090

引言

    在地鐵隧道施工中，由于隧道開挖將造成土體應力重分布，因此在一定的土體環境中，隧道的開挖方式對隧道穩定性及地表沉降影響尤為顯著。不同的施工程序，在時空上相當于荷載以不同的方式施加在隧道上，尤其對于淺埋隧道，覆土厚度較小，圍巖松散，自承能力差，隧道開挖引起很大的地表沉降，往往造成周邊建筑物破損、傾斜甚至倒塌。因此研究隧道施工工序對隧道穩定及地表沉降的影響具有重要意義。本文即對北京地鐵10號線某標段單洞雙層通道的施工工序引起的地表沉降及拱頂沉降進行了數值模擬與分析。

1、工程簡介

    北京地鐵l0號線某標段與車站結構相聯部位設4個出入口通道，每個通道在中洞和側洞之間的部分為單洞雙層通道，其余部分為單層通道，均采用暗挖法施工。東南和東北出入口通道，中洞和側洞之間雙層部分長度為6.94m，雙層通道的開挖尺寸寬X高為6600mm×12000mm，初期支護結構厚度為300mm，二襯結構厚度為500mm，二襯凈空尺寸寬×高為5000mm×10100mm。見圖1，土層參數見表1。

圖1東南出入口單洞雙層通道

2、地表變形分析

　　2.1地表沉降理論分析

    預測地面沉降量及影響范圍的常用的方法有邊界元法、有限元法、根據實測數據的統計方法等。

　　2.2數值模擬

    本文分析采用了Mohr．Coulomb塑性模型，有限差分計算方法對單洞雙層隧道開挖過程進行模擬，其中初襯、臨時支護均用梁單元，小導管注漿作用通過提高土體的彈性模量及C、φ值來進行模擬。目前世界上單洞雙層隧道并不多見，但是在隧道的出入口與車站中洞與側洞相連的部位，單洞雙層通道較多，只是長度較短，施工往往被忽視。而此處恰是車站與側洞單洞單層通道的過渡，對它施工所引起的地層擾動，直接影響到測洞和車站的施工。本文完全模擬了雙層通道施工的動態過程，先進行第①步拱部超前小導管注漿，臺階法開挖①步土體，鋪設Ф6—150x150鋼筋網，架格柵并作格柵鎖腳錨桿，噴混凝土作初襯。

　　2.3分部開挖引起的地表沉降分析

    在進行分步開挖計算時，取隧道中線為零點，開挖水平影響范圍約為隧道跨度的l5倍，以減小模型的邊界約束效應，使模型更能真實地反映開挖引起的沉降，豎向影響范圍為隧道開挖深度的5倍，建立了100m×60m的網格，以隧道中心點為對稱點對地表18個點進行了地表豎向位移的監測和數據采集，有關分步開挖地表的沉降分布形態。第一步導洞①開挖，地表最大沉降量模擬計算值為36mm，地表沉降呈正態分布，現場實測最大沉降量為34.65mm，第二步開挖地表模擬計算值最大沉降量為38.149mm，實測值為37.7mm，沉降槽的寬度沒有變化，水平影響范圍也沒有增加，在-40m～+40m處沉降曲線幾乎重合，說明隨著隧道進一步開挖，地表沉降曲線沉降槽的寬度沒有變化，沉降量略有增加。本文也模擬了當第二步開挖先開挖導洞③后地表變形的情況，開挖面上對應的地表出現了18.165mm的隆起，與第一步開挖導洞地層的變形完全相反，沉降槽的寬度也明顯增加，不利于地層的穩定沉降。

     進行第三步導洞③的開挖后，地表最大沉降發生在距離隧道中線-2.45m處，沉降量為20.637mm，沉降槽右移；第四步導洞開挖完成后，地表的最大變形發生在距離隧道中線12.4m處，隆起量為10.55mm，同時在距離隧道中線-17.4m處發生了7.436mm的地表最大沉降，沉降曲線表明右側導洞的開挖引起沉降槽向x軸負方向移動，但并不是簡單的平移，以隧道中心線為中心0～40 m之間的地表均有不同程度的隆起，大于20m的范圍地表沉降的趨勢與導洞開挖地表沉降的趨勢一致，沉降槽的最低點在中心線附近，沉降曲線表明地層變形很平緩。說明該施工過程有利于地表沉降的控制。第五步導洞開挖后，地表最大變形發生在距離隧道中線7.44m處，最大沉降量為45.759mm，最大隆起發生在距離隧道中線-22.4m處，隆起值為7.08mm，沉降槽的寬度比第一步、第二步開挖時沉降槽的寬度增加20％左右，并且沉降槽偏移，與實際施工性態相符，此時正是進行導洞⑤的開挖；第六步導洞開挖，隧道中心點附近-2.45m處地表發生37.596mm的沉降，最大隆起發生在距離隧道中線-22.4m處，隆起值為ll.03mm，沉降槽的寬度有所收斂，比第一步、第二步開挖的沉降槽寬度減小5％左右，并且沉降槽向隧道中線偏移，此時單洞雙層隧道開挖完畢。

　　從以上數值分析，可以看出分步施工中，隧道先期導洞偏挖時，沉降槽向未開挖一側偏移；在右側導洞開挖時，可以認為開挖沉降槽是新形成的，但是新的沉降槽反映出導洞開挖對地層的擾動沒有初始開挖對地層的擾動大，并且新的沉降槽是受先期地層沉降影響的，有利于對施工引起的地表沉降進行控制。模擬第三步施工先開挖導洞引起的地表沉降曲線，隨著隧道開挖深度的增加，地表沉降繼續發展，最大沉降量達60mm，在開挖跨度3.3m范圍內，地表沉降均在60mm左右，說明此時襯砌受到的圍巖壓力很大，沉降槽的寬度收斂，表明沉降槽的寬度與形狀受隧道開挖面的形狀影響較大。

3、結語

    本文以北京地鐵10號線某標段車站與出入口銜接處的單洞雙層隧道工程為研究對象，對該區域隧道施工引起的地表沉降進行了數值模擬分析，探索了單洞雙層隧道施工一次性開挖成洞及隧道分步開挖引起的地表沉降槽的變化形態，分析了因施工工序不同偏挖引起的地表變形的規律，拱頂沉降及拱頂主應力的變化規律。研究表明：

    (1)在斷面形狀尺寸，土層參數、地質條件相同的條件下，單洞雙層隧道施工一次性開挖成洞，會造成大范圍的地表沉降，甚至洞孔坍塌。合理地分步開挖、及時施作襯砌有效地控制了地表變形和洞周位移。

　　(2)施工工序不同使隧道的偏挖引起地表沉降槽向未開挖一側偏移，表明隧道在開挖過程中地層最大沉降并不發生在隧道中線處，而在完成全部開挖，地層變形穩定后，其累計沉降最大值位于隧道中線處。

參考文獻

[1]孫鈞．地下工程設計理論與實踐[M]．上海：上海科學技術出版社，l996：36—42

[2]吳波，高波，漆泰岳，等．城市地鐵區間隧道洞群開挖順序優化分析[J]．中國鐵道科學，2003，24(5)：23—28

[3]施仲衡，張彌，王新杰，等．地下鐵道設計與施工[M]．西安：陜西科學技術出版社，l997：69—75

[4]劉波，韓彥輝(美國)．FLAC原理、實例與應用指南[M]．北京：人民交通出版社，2005：12—20

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)