余繼江，祝方才，王勤富，馮祖浚，譚園輝

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

淺埋隧道逆向進(jìn)站開挖工法及數(shù)值分析研究

余繼江，祝方才，王勤富，馮祖浚，譚園輝

（湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

針對(duì)淺埋隧道開挖工法如何盡快恢復(fù)市政道路通行，變截面開挖步距和開挖角度難以控制的問題，結(jié)合某地鐵車站出入口開挖工程，提出了CRD變截面逆向站內(nèi)進(jìn)洞施工技術(shù)，建立了FLAC3D變截面開挖數(shù)值模型，比較了在不同開挖角度和開挖步距下對(duì)拱頂沉降和水平收斂的影響；對(duì)隧道變形情況現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：當(dāng)開挖角度在30°左右時(shí)拱頂沉降和水平收斂控制較好，結(jié)合工程施工因素，開挖步距推薦為0.5 m；拱頂沉降值和水平收斂值都經(jīng)歷了增長-平穩(wěn)階段，現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

淺埋隧道；逆向開挖；拱頂沉降；水平收斂

0 引言

淺埋暗挖法具有造價(jià)低，拆遷少，不干擾地面交通，不影響周圍環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)。該工法對(duì)地層具有較強(qiáng)適應(yīng)性和高度靈活性，在城市地鐵修建中得到了廣泛應(yīng)用，并且由只適用于第四紀(jì)地層、無水等條件逐步拓展到非第四紀(jì)地層、有水、超淺埋（埋深已縮小到0.5 m）、大跨度等復(fù)雜條件下的地下工程中。

淺埋暗挖變截面開挖技術(shù)是對(duì)淺埋暗挖法的一次技術(shù)創(chuàng)新，對(duì)于該工法張繼明[1]研究了北京地鐵4號(hào)線西直門站西北換乘通道，由大斷面轉(zhuǎn)化為小斷面的變截面開挖工程。閆明超等[2]總結(jié)出了超大斷面隧道變截面施工中應(yīng)注意的一些技術(shù)要點(diǎn)，采用了合分修的施工技術(shù)，將隧道斷面分成4種不同的形式，并依次擴(kuò)大，在施工過程中采用了變截面模板臺(tái)車，既滿足了隧道變截面開挖的需求，又能加快隧道施工進(jìn)度，減少支出。張文彥[3]研究了地鐵渡線區(qū)群洞隧道施工過程中地表沉降的規(guī)律，群洞隧道施工方案的優(yōu)化以及地表沉降的影響因素等，提出縱橫導(dǎo)洞法開挖方案，實(shí)際工程證明該方案在工程成本、工期、作業(yè)環(huán)境等方面與原方案相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。李棟等[4]對(duì)特大跨超淺埋地鐵隧道下穿天橋過程穩(wěn)定性控制進(jìn)行了分析研究。

對(duì)錨桿的模擬研究中，左乾坤等[5]利用梁單元研究了鋼拱架在隧道施工中的受力特征，分析了其間距的影響，認(rèn)為錨桿在控制圍巖變形方面作用有限，超前小導(dǎo)管在圍巖加固中起到了梁效應(yīng)、拱效應(yīng)等加強(qiáng)效應(yīng)，可采用梁理論、彈性地基梁理論和殼體單元理論進(jìn)行理論分析，殼體單元將超前小導(dǎo)管與周圍的加固土體視作殼體。劉天宇[6]利用FLAC3D對(duì)超前小導(dǎo)管支護(hù)效果進(jìn)行了計(jì)算分析，得到了超前小導(dǎo)管可顯著改善圍巖力學(xué)性質(zhì)的結(jié)論。

變截面開挖法[7-8]對(duì)淺埋地層不穩(wěn)定、施工場地小的工程較適用。本文結(jié)合某地鐵車站出入口工程，利用FLAC3D軟件[9-10]建立隧道計(jì)算模型。從變截面開挖角度、開挖步距等方面分析開挖參數(shù)對(duì)隧道拱頂沉降、水平收斂變化的影響[11-12]，并對(duì)變截面開挖的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，以期達(dá)到最佳效果。

1 淺埋隧道變截面開挖工法的選擇

1.1 工程概況和監(jiān)測點(diǎn)布置

1.1.1 工程概況

本研究依托某地鐵車站Ⅳ號(hào)出入口的實(shí)際工程，該出入口從主體基坑?xùn)|北側(cè)引出垂直向北，出入口采用部分暗挖部分明挖施工，平面及暗挖（陰影）部分如圖1所示 。

該出入口過街通道拱頂覆土從上至下依次為雜填土，層厚1.8～6.3 m；淤泥質(zhì)黏土，層厚0.7～3.0 m；粉質(zhì)黏土，層厚1.8～10.1 m；細(xì)砂，層厚0.3～2.2 m；卵石，層厚0.1～1.9 m；粉質(zhì)黏土，層厚0.3～3.3 m；強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，層厚0.4～9.0 m。通過地質(zhì)勘探資料和出入口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料可知，該出入口暗挖過街通道拱頂有一層厚約1 m的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾層，拱底有一層厚約1 m的砂卵石層[13]。

圖1 地鐵車站出入口布置圖Fig. 1 A lay-out drawing of the subway entrances and exits

1.1.2 監(jiān)測點(diǎn)布置

該出入口暗挖段長15.30 m，標(biāo)準(zhǔn)段開挖斷面6.900 m×7.741 m，拱頂覆土厚約為4.50～5.28 m。為了對(duì)開挖過程實(shí)時(shí)監(jiān)測，分別對(duì)拱頂、拱側(cè)和地表布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，3處監(jiān)測點(diǎn)在同一斷面上，共5個(gè)監(jiān)測斷面，間距為3 m。測點(diǎn)布置如圖2和圖3所示。

圖2 拱頂沉降點(diǎn)和水平收斂點(diǎn)布置圖Fig. 2 A lay-out drawing of monitoring points of vault subsidence and horizontal convergence

圖3 地表監(jiān)測點(diǎn)布置圖Fig. 3 Surface monitoring points

拱頂沉降觀測監(jiān)測點(diǎn)編號(hào)分別為P4-1, P4-2,P4-3, P4-4, P4-5；水平收斂監(jiān)測點(diǎn)編號(hào)分別為M4-1, M4-1.2, M4-2, M4-2.2, M4-3, M4-3.2, M4-4, M4-4.2, M4-5, M4-5.2；地表點(diǎn)監(jiān)測斷面編號(hào)分別為A4-1, A4-2, A4-3, A4-4, A4-5。

1.2 淺埋暗挖CRD法的確定

受交通量大、橋的位置和施工場地的限制，無法進(jìn)行交通疏解，因此選用淺埋暗挖法進(jìn)行施工。由于該隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸為6.900 m×7.741 m，斷面面積53.413 m2，隧道頂端到地表距離為4.500～5.280 m，故該段隧道屬于超淺埋超大斷面施工范疇。經(jīng)過對(duì)淺埋暗挖施工工法的比選，確定采用交叉中隔壁法（cross diaphragm，CRD）開挖工法[14]以及超前管棚、超前小導(dǎo)管、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土組成的聯(lián)合支護(hù)體系，可以保證圍巖變形在允許的范圍內(nèi)。

1.3 變截面開挖技術(shù)的確定

該出入口過街通道暗挖進(jìn)洞端設(shè)置在車站站廳層預(yù)留洞門處，車站施工時(shí)，預(yù)留洞門為5.000 m×4.150 m的矩形洞口，暗挖段標(biāo)準(zhǔn)開挖斷面為6.900 m×7.741 m，在開挖進(jìn)洞時(shí)無法一次直接開挖至設(shè)計(jì)的開挖線，進(jìn)洞時(shí)需設(shè)置斷面漸變擴(kuò)大段，因此提出了變截面的施工方法。由進(jìn)洞時(shí)的矩形小斷面，漸變?yōu)樵O(shè)計(jì)的拱形大斷面，經(jīng)過反復(fù)討論確定斷面漸變段設(shè)置長為5.000 m，即進(jìn)洞后每開挖一榀（0.500 m），頂部抬高擴(kuò)大斷面約0.200 m。漸變段施工完后，再反向回來拆除漸變段初期支護(hù)，將漸變段斷面擴(kuò)大至標(biāo)準(zhǔn)斷面，開挖示意圖如圖4所示。

圖4 變截面開挖示意圖Fig. 4 A diagram of variable section excavation

1.4 逆向站內(nèi)進(jìn)洞施工技術(shù)的確定

一般城市地鐵過街通道暗挖施工，是從出地面明挖段（即施工暗挖大管棚端）按照正常順序進(jìn)洞施工過街通道暗挖部分。這樣，施工的開挖斷面從進(jìn)洞開始就為同一斷面尺寸，施工工藝、技術(shù)較成熟。本車站出入口施工，決定采用逆向站內(nèi)進(jìn)洞技術(shù)。將暗挖施工從車站內(nèi)部開始開挖，在只完成出地面明挖段和過街通道暗挖段大管棚施工后，就能恢復(fù)出入口場地，從而達(dá)到盡早恢復(fù)道路交通的目的。

綜上所述，受制于地鐵出入口地質(zhì)條件、交通狀況和開挖斷面形式的差異，該工法在縱斷面上從車站內(nèi)部向車站出入洞口開挖，即暗挖逆向站內(nèi)進(jìn)洞；隧道前5.000 m，每開挖一榀，頂部抬高，斷面擴(kuò)大，直至開挖標(biāo)準(zhǔn)斷面，開挖完成之后返回來拆除漸變段初期支護(hù)，將漸變段斷面擴(kuò)大至標(biāo)準(zhǔn)斷面，即變截面開挖；隧道后10.000 m，橫斷面上采用CRD開挖工法并用超前管棚、超前小導(dǎo)管、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土組成聯(lián)合支護(hù)體系。本地鐵出入口采用的淺埋暗挖逆向站內(nèi)進(jìn)洞變截面開挖工法。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

該工程為軟土淺埋隧道，其開挖會(huì)對(duì)地表建筑物和構(gòu)筑物造成較大的影響，是一個(gè)典型的三維問題。因?yàn)楸敬螖?shù)值模擬中主要從不同開挖角度和開挖步距來研究該施工工法對(duì)拱頂沉降和水平收斂的影響，故對(duì)掌子面封堵、隧道涌水、塌方等因素進(jìn)行簡化，不作考慮。計(jì)算模型統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)斷面。計(jì)算模型的周圍土體服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，其它材料采用彈性模型；不考慮地下水滲流的作用，認(rèn)為開挖面在地下水位之上；邊界條件采用位移邊界條件，上邊界為自由邊界，兩側(cè)及底邊均約束其法向上的位移，計(jì)算時(shí)只考慮自重應(yīng)力場。

隧道開挖的影響范圍取決于土質(zhì)條件、埋深和開挖形狀等因素，模型的大小對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響較大[15]。影響區(qū)域選隧道開挖尺寸的3～5 倍較合理[16]，其求解精度和計(jì)算速度都能較好滿足。在FLAC3D三維計(jì)算模型中，將xOz平面設(shè)為隧道的橫斷面，y軸方向?yàn)樗淼揽v向開挖方向。設(shè)預(yù)留洞口斷面尺寸為5.0 m×4.0 m，變截面擴(kuò)大完成后斷面尺寸為7.0 m×8.0 m，隧道兩側(cè)各取24.0 m，隧道埋深按5.0 m計(jì)算，隧道下方取24.0 m，模型尺寸選取55.0 m×15.0 m×37.0 m，即橫向（x方向）取55.0 m，縱向（y方向）取15.0 m，豎向（z方向）取37.0 m。數(shù)值模擬模型和計(jì)算模型分別如見圖5和圖6。隧道前5.0 m變截面開挖，后10.0 m采用CRD法開挖，整個(gè)模型共有52 665個(gè)單元，58 693個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型沿y方向等分成30份，每個(gè)單元0.5 m，即循環(huán)進(jìn)尺為0.5 m。

根據(jù)地層實(shí)際情況，雜填土選用快剪強(qiáng)度，其它土層選用固結(jié)快剪指標(biāo)，具體計(jì)算模擬單元土層參數(shù)如表1所示。

為簡化分析，在數(shù)值模擬中將鋼拱架、超前小導(dǎo)管、噴射混凝土和鋼筋網(wǎng)看作為注漿加固圈，采用殼體單元模擬。采用等效剛度的算法得出殼體單元彈性模量為43.7 GPa，泊松比為0.28，重度為23 kN/m3。采用張明聚等[17]提出的樁單元模型模擬管棚。管棚中填充砂漿可提升地層承載力和增加鋼管的彈性模量，故注漿管棚的彈性模量和重度是鋼管與砂漿共同作用的結(jié)果。徑向注漿小導(dǎo)管采用錨桿單元來模擬，彈性模量取45.0 GPa，橫截面積為1.38×10-3m2?？紤]加固土體作為安全儲(chǔ)備，土體仍采用原有的力學(xué)參數(shù)，圍巖及支護(hù)材料參數(shù)如表2所示。

圖5 數(shù)值模擬模型三維網(wǎng)格圖Fig. 5 3D mesh of the numerical model

圖6 計(jì)算模型簡圖Fig. 6 A sketch of the computational model

表1 土層參數(shù)Table 1 Soil parameters

表2 圍巖及支護(hù)材料參數(shù)Table 2 Parameters of surrounding rocks and supporting materials

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 開挖角度對(duì)隧道變形的影響

某地鐵站Ⅳ號(hào)出入口的實(shí)際工程中，變截面高度為2.0 m，開挖進(jìn)洞時(shí)需設(shè)置斷面漸變擴(kuò)大段，由進(jìn)洞時(shí)的矩形小斷面漸變?yōu)楣靶未髷嗝妫_(dá)到設(shè)計(jì)開挖線。為研究開挖角度對(duì)隧道變形的影響，取開挖步距為0.5 m，開挖角的正切tanα分別取0.2, 0.4, 0.6,0.8, 1.0，即每開挖0.5 m，隧道頂部分別擴(kuò)大0.1, 0.2,0.3, 0.4, 0.5 m，最后外加一種等截面開挖（即由預(yù)留的矩形小斷面直接一次性開挖到設(shè)計(jì)的拱形大斷面）的工況，相當(dāng)于開挖角度α趨近于90o。從模擬結(jié)果中選出有代表性的tanα=0.6和等截面開挖（α≈90o）進(jìn)行z,x方向位移云圖比較，如圖7～8所示。

圖7 tanα=0.6時(shí)圍巖的位移云圖Fig. 7 Displacement nephogram of surrounding rocks with tanα=0.6

圖8 等截面開挖時(shí)圍巖的位移云圖Fig. 8 Displacement nephogram of surrounding rocks during excavation

將模擬結(jié)果整理得到不同開挖角度時(shí)的圍巖變形情況，如表3所示。當(dāng)tanα分別為0.2, 0.4, 0.6, 0.8,1.0和等截面時(shí)設(shè)為工況1～6。由表可知，隨著開挖傾角的增大，隧道拱頂沉降、水平位移收斂總體上呈增加趨勢(shì)，這說明隧道開挖角度對(duì)隧道圍巖變形有較明顯的影響。

表3 不同開挖角度時(shí)圍巖的變形情況Table 3 Displacements of surrounding rocks at different excavation angles

工況2～5相較工況1拱頂沉降分別增加了1.15%,2.70%, 12.15%, 29.26%。拱頂沉降隨著開挖角度的增加而增大，這是由于增加開挖角度后，變截面開挖距離就會(huì)縮短，每次開挖上擴(kuò)的距離變大，對(duì)圍巖的擾動(dòng)加大，每個(gè)開挖步距的土方量增加且圍巖得不到及時(shí)的支護(hù)，使拱頂位移增大。工況2～5相較工況1水平收斂分別增加了-5.09%, -16.81%, 15.93%,63.50%?？梢钥闯?，變截面角度一定范圍內(nèi)的增加對(duì)圍巖水平收斂影響不大，只有當(dāng)變截面開挖角度過大時(shí)（工況5），圍巖水平收斂才會(huì)迅速增大。

前2種工況圍巖位移變化相差不大，主要原因是工況1開挖角度小，對(duì)圍巖擾動(dòng)小，但由于開挖角度變小會(huì)使得開挖步數(shù)增加，增加圍巖的擾動(dòng)次數(shù)，兩者相互抵消，使工況1和工況2的位移相差不大。工況3水平位移值最小，說明在本工程特定的情況下，取開挖角度tanα=0.6即每開挖0.5 m變截面上擴(kuò)0.3 m時(shí)，對(duì)圍巖的擾動(dòng)降到最低，圍巖水平收斂值達(dá)到最小。

隧道變截面開挖傾角越小，則變截面的開挖長度越長，所花費(fèi)的資源越多、工期越長。就本工程而言，工況2和工況3的取值較為合理，不僅保證了施工的進(jìn)度，又使得隧道變形處于規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

由工況6可以得出，變截面開挖的最大拱頂沉降、最大水平收斂都比等截面開挖有較大幅度減小。這說明了本工程采用的變截面開挖技術(shù)在控制圍巖變形方面有較大優(yōu)勢(shì)，隧道變截面開挖既方便于不良地質(zhì)狀況下地鐵的施工，又能較好地控制圍巖的變形。

2.2.2 變截面開挖步距對(duì)隧道變形的影響

在采用淺埋暗挖法修筑地下隧道時(shí)，開挖步距的確定相當(dāng)重要。當(dāng)開挖步距取值較小時(shí)，會(huì)使隧道的支護(hù)材料增多、工期延長，隧道的施工成本顯著提高。開挖步距小，必然會(huì)增加對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)，但小步距能夠保證隧道的及時(shí)支護(hù)，這樣能夠縮小隧道塑性區(qū)的范圍，隧道拱頂沉降量以及水平收斂值顯著減小；反之，選用較大的開挖步距時(shí)，施工進(jìn)度會(huì)加快，但也會(huì)使得地表沉降加大，當(dāng)隧址區(qū)有重要建筑物或地下管線時(shí)，必須謹(jǐn)慎選擇開挖步距。本文根據(jù)具體情況，選取開挖步距分別為0.25, 0.50, 0.75, 1.00, 1.25 m進(jìn)行模擬研究，以期得到最佳開挖步距。圖9是開挖步距為0.50 m時(shí)，模擬結(jié)果在z,x方向的位移云圖。

圖9 開挖步距d=0.50 m時(shí)圍巖的位移云圖Fig. 9 Displacement nephogram of surrounding rocks with 0.5 m the excavation step

由模擬結(jié)果整理得出圍巖的變形情況，如表4所示。由表可以看出，隨著開挖步距d的增大，拱頂沉降值、水平收斂值都會(huì)明顯增大，以開挖步距0.25 m為基準(zhǔn)，開挖步距為0.50, 0.75, 1.00, 1.25 m時(shí)，拱頂沉降值分別增加了19.86%, 36.89%, 39.88%,55.23%；水平收斂值分別增加了64.37%, 61.30%,73.18%, 155.94%?？梢钥闯鲩_挖步距對(duì)拱頂沉降和水平收斂值都有較大的影響。當(dāng)開挖步距為1.25 m時(shí)，拱頂沉降值接近隧道拱頂沉降的警戒值35 mm，故在本工程中，合適的開挖步距應(yīng)小于1.25 m。開挖步距為0.25 m時(shí)，拱頂最大沉降值為19.03 mm，沉降值較小但施工成本高、工期長，故在保證沉降值位于工程控制范圍的前提下，盡可能選擇較大的開挖步距，以加快工程的施工進(jìn)度，本研究中選用開挖步距為0.50 m較合適。

表4 不同開挖步距時(shí)圍巖的變形情況Table 4 Surrounding rock deformation with different excavation steps

3 監(jiān)測與模擬結(jié)果對(duì)比分析

3.1 拱頂沉降

取洞內(nèi)拱頂P4-2點(diǎn)為研究對(duì)象，對(duì)其實(shí)測值和FLAC3D數(shù)值模擬值進(jìn)行對(duì)比，得出拱頂沉降曲線如圖10所示。

圖10 P4-2點(diǎn)拱頂沉降對(duì)比圖Fig. 10 Comparison of vault subsidence in P4-2

由圖10可以看出，P4-2沉降的模擬值和實(shí)測值的值都呈拋物線型增加。隨著隧道開挖的進(jìn)行，圍巖土體的平衡被破壞，拱頂沉降進(jìn)入快速階段，圍巖應(yīng)力得到一定程度的釋放；隨后及時(shí)的初期支護(hù)抑制了圍巖的變形，拱頂位移變化趨于平緩；隨著掌子面的向前推進(jìn)，拱頂沉降最終達(dá)到穩(wěn)定。拱頂沉降最大實(shí)測值為16.0 mm，最大模擬值為22.8 mm，模擬值大于實(shí)際監(jiān)測值。造成上述現(xiàn)象的原因可能是隧道監(jiān)測的滯后性，在實(shí)際監(jiān)測中很難對(duì)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行第一時(shí)間布設(shè)，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)完成時(shí)圍巖本身已經(jīng)產(chǎn)生一定的變形，該部分變形很難測出；另一部分原因可能是由于FLAC3D算法造成的，F(xiàn)LAC3D算法為顯式有限差分法，為了便于計(jì)算，單元格的劃分較大，不平衡力被簡化地認(rèn)為作用在節(jié)點(diǎn)上，土體間的相互約束作用被忽略，最后導(dǎo)致模擬值較實(shí)測值大；還有可能是模型計(jì)算參數(shù)簡化與實(shí)際工況差別較大?？傊?，隧道實(shí)測數(shù)據(jù)是多種因素共同作用的結(jié)果，數(shù)值模擬值雖不能精確反映隧道位移的變化，但可以大體反映隧道位移的變化規(guī)律。

3.2 水平收斂值

取洞內(nèi)水平M4-2點(diǎn)為研究對(duì)象，對(duì)其實(shí)測值和FLAC3D數(shù)值模擬值進(jìn)行對(duì)比，得出隧道水平收斂曲線，如圖11所示。

圖11 M4-2點(diǎn)水平收斂對(duì)比圖Fig. 11 Comparison of horizontal convergence in M4-2

由圖11可以看出，M4-2點(diǎn)的水平收斂實(shí)測最大值約為1.26 mm，數(shù)值模擬最大值約為2.50 mm，模擬值遠(yuǎn)大于實(shí)測值，約為實(shí)測值的2倍。水平收斂模擬值大于實(shí)測值，與同拱頂沉降值類似，可能也是由數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果滯后性或者其他原因造成的。雖然實(shí)測值和模擬值有一定的差別，但二者的變化規(guī)律基本一致，收斂基本都集中在前15 d內(nèi)。水平位移收斂大體經(jīng)歷了迅速增長和達(dá)到最終平衡兩個(gè)階段。整體上看，隧道水平收斂值要遠(yuǎn)小于拱頂沉降值，故其重要性要小于拱頂沉降。這就是在城市地鐵的建設(shè)中，位移控制值一般以拱頂沉降為主的原因。

3.3 地表沉降

選取地表A4-2斷面為研究對(duì)象，對(duì)其沉降實(shí)測值和FLAC3D數(shù)值模擬值進(jìn)行對(duì)比。整個(gè)開挖方向由南至北，橫坐標(biāo)負(fù)號(hào)表示開挖斷面西側(cè)，正號(hào)為斷面東側(cè)。隧道地表沉降曲線如圖12所示。

圖12 A4-2斷面地表沉降對(duì)比圖Fig. 12 Comparison of surface subsidence in A4-2

由圖12可以看出，地表點(diǎn)的沉降模擬值要大于實(shí)測值。無論實(shí)測值還是模擬值，地表點(diǎn)的最大沉降值都位于隧道中線正上方，距離隧道中心線越遠(yuǎn)的地表點(diǎn)沉降值越小，沉降槽寬度左右各約25 m，模擬結(jié)果的最大沉降值為12.6 mm，實(shí)際監(jiān)測的最大沉降值為8.0 mm。這是由于隧道地質(zhì)狀況較為復(fù)雜，土層參數(shù)的選取，地層間的接觸，開挖過程對(duì)圍巖的擾動(dòng)，以及數(shù)值模擬中作近似處理或者忽略等原因，而導(dǎo)致模擬過程很難與實(shí)際相符；同時(shí)由于數(shù)值模擬軟件FLAC3D本身具有一定的局限性，會(huì)使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的系統(tǒng)誤差。由圖12還可以看出，中線兩側(cè)沉降曲線不完全對(duì)稱，這是由于實(shí)際工程中影響地表沉降的因素很多，隧道開挖、初襯的施工質(zhì)量等因素都會(huì)對(duì)中線兩側(cè)的沉降造成影響。地表點(diǎn)的沉降曲線基本與Peck經(jīng)驗(yàn)公式相吻合，這既說明了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，也表明了FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果能較準(zhǔn)確地反映城市地鐵開挖所引發(fā)的地表沉降規(guī)律。

4 結(jié)論

根據(jù)上述研究可得以下結(jié)論：

1）采用淺埋隧道變截面逆向站內(nèi)進(jìn)洞施工工法，可達(dá)到少占用市政道路、盡早恢復(fù)交通的目的。

2）隨著變截面開挖角度的增大，隧道拱頂沉降和水平收斂都有不同程度的增加，開挖角度小，開挖步數(shù)少，對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)少；開挖角度大，開挖步數(shù)增多，對(duì)圍巖擾動(dòng)次數(shù)較多，圍巖得不到及時(shí)的支護(hù)，變形加大；變截面圍巖的位移變化量總體上比等截面的小。這說明本工程采用的變截面開挖技術(shù)在控制地表沉降方面有較大優(yōu)勢(shì)。

3）開挖步距不同，對(duì)隧道拱頂沉降和水平收斂的影響有明顯不同。開挖步距小，對(duì)圍巖擾動(dòng)次數(shù)較多，施工成本較高；開挖步距大，不能及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，圍巖變形速度快。所以選擇合理的開挖步距對(duì)工程施工非常重要。

4）通過對(duì)比隧道實(shí)際監(jiān)測結(jié)果與FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果，雖然與圍巖變形趨勢(shì)基本一致，但拱頂沉降、水平收斂方面的實(shí)際監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果有較大偏差，該數(shù)值模擬只能對(duì)實(shí)際工程開挖做定性的分析。

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（責(zé)任編輯：鄧光輝）

Excavation Methods and Numerical Analysis of Shallow Buried Tunnels

YU Jijiang，ZHU Fangcai，WANG Qinfu，F(xiàn)ENG Zujun，TAN Yuanhui
（School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In order to speed up the recovery of municipal road traf fi c, to effectively control the variable crosssection excavation steps and excavation angles, a method of reverse excavation in shallow buried tunnels with CRD variable cross-section has thus been proposed. A numerical model of FLAC3Dvariable cross-section excavation is established, and a comparison has been made between the effects of excavation brought about with different angles and excavation steps on the settlement and horizontal convergence of the vaults, followed by a comparative analysis of the fi eld monitoring results and numerical simulation results. The experimental results show that it is easier to control the settlement and horizontal convergence with 30 degrees the excavation angle where, combined with the engineering construction factors, the recommended excavation distance will be 0.5 m. Both the settlement value and the horizontal convergence value have experienced a growth-stationary phase, with the results of field monitoring and numerical simulation basically identical in relevant data.

shallow buried tunnel；reverse excavation；vault subsidence；horizontal convergence

U456.3+1

：A

：1673-9833(2017)03-0032-08

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.03.006

2016-11-30

湖南省自然科學(xué)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目（13JJ2033），湖南省研究生科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX2015B572），湖南省教育廳青年基金資助項(xiàng)目（10B025）

余繼江（1990-），男，安徽黃山人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)樗淼琅c邊坡的穩(wěn)定性，E-mail：yujijiang1990@163.com