金星亮，胡曦波

(1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司 勘察設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 511455；2.中鐵重慶地鐵建設(shè)指揮部，重慶 401120)

多條線路交匯對(duì)隧道斷面面積提出了更高的要求。在客運(yùn)專線及軌道交通隧道中嘗試了大斷面隧道，國(guó)內(nèi)對(duì)于大斷面隧道的設(shè)計(jì)和施工積累了一些經(jīng)驗(yàn)。

文獻(xiàn)[1]采用MIDAS/GTS對(duì)扁平超大斷面隧道施工力學(xué)特征進(jìn)行了分析，得到了施工過(guò)程中隧道圍巖變形規(guī)律。文獻(xiàn)[2-3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論分析及數(shù)值模擬分別對(duì)砂質(zhì)泥巖及煤系地層隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到了圍巖應(yīng)力分布規(guī)律。文獻(xiàn)[4]綜合采用了理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)3種方法，對(duì)不同開(kāi)挖方式和支護(hù)方式下圍巖的變形規(guī)律和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[5]采用數(shù)值模似方法，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了某大跨軟弱圍巖隧道開(kāi)挖擾動(dòng)區(qū)域的時(shí)空分布特征；文獻(xiàn)[6]對(duì) 6 種施工方案下超大斷面黃土隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖變形進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得出交叉中隔墻法為較優(yōu)方法；文獻(xiàn)[7]采用MIDAS/GTS軟件，從錨桿受力、噴射混凝土受力以及襯砌變形等方面對(duì)3種扁平斷面隧道圍巖受力狀況進(jìn)行了分析。

以上文獻(xiàn)采用不同的研究方法對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，但對(duì)于城市地鐵淺埋扁平超大斷面隧道的研究還很少，需要更深入的研究。本文以重慶軌道交通5號(hào)線3標(biāo)段淺埋扁平超大斷面隧道段工程為依托，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 工程概況

重慶軌道交通5號(hào)線單拱四線地鐵隧道為國(guó)內(nèi)在建最大跨度暗挖區(qū)間隧道，鉆爆法開(kāi)挖。扁平超大斷面隧道段長(zhǎng)約53 m，開(kāi)挖跨度27.6 m，高度17.2 m，拱頂覆土厚12 m，開(kāi)挖斷面388.47 m3，矢跨比近0.62，圍巖為砂質(zhì)泥巖，Ⅳ級(jí)。該隧道屬于淺埋扁平超大斷面隧道。

采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，步序見(jiàn)圖1，左右導(dǎo)坑開(kāi)挖依次錯(cuò)開(kāi)3～5 m。分步開(kāi)挖后進(jìn)行支護(hù)。將各分步開(kāi)挖的相互影響降到最低，進(jìn)而控制整個(gè)斷面開(kāi)挖坍塌風(fēng)險(xiǎn)。開(kāi)挖過(guò)程中嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)，對(duì)地表藥廠、高層建筑的振動(dòng)影響也應(yīng)降到最低。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工步序

超大斷面隧道開(kāi)挖后將會(huì)出現(xiàn)更大的塑性區(qū)和更大的變形；隧道拱腳應(yīng)力集中；隧道跨度的增大，拱頂受力作用面積較大，拱頂較易失穩(wěn)發(fā)生坍塌[8]。淺埋隧道由于隧道拱頂覆土較薄，地表易隆起，對(duì)地表建(構(gòu))筑物影響較大。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

圖2 洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。在隧道兩端及中部各選取一個(gè)斷面，在地表以間距8 m埋設(shè)測(cè)點(diǎn)，共 6 個(gè)。監(jiān)測(cè)控制值根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]及設(shè)計(jì)文件確定。拱頂沉降報(bào)警值為30 mm，水平收斂、地表沉降、地表隆起報(bào)警值分別為30,50，15 mm。

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

斷面DK18+140位于隧道一端，斷面DK18+160位于隧道中部。隧道開(kāi)挖過(guò)程中測(cè)點(diǎn)DK18+140-2和DK18+160-2拱頂累計(jì)沉降時(shí)程曲線見(jiàn)圖3?？梢?jiàn)：2個(gè) 測(cè)點(diǎn)拱頂累計(jì)沉降時(shí)程曲線變化趨勢(shì)基本一致。由于首先開(kāi)挖到斷面DK18+140附近，該斷面拱頂累計(jì)沉降曲線較早達(dá)到最大值。進(jìn)行左右導(dǎo)洞貫通開(kāi)挖時(shí)，由于預(yù)留核心土未開(kāi)挖，拱頂沉降量較小，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，拱頂累計(jì)沉降呈現(xiàn)持續(xù)增大趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)到第40 d核心土開(kāi)挖完，拱頂累計(jì)沉降在12 mm左右，隨后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。開(kāi)挖階段中間斷面測(cè)點(diǎn)DK18+160-2的拱頂累計(jì)沉降最大，其值為15.4 mm，最終穩(wěn)定在10.25 mm，未超出TB 10003—2016規(guī)定的報(bào)警值30 mm。

圖3 拱頂累計(jì)沉降時(shí)程曲線

圖4 地表累計(jì)沉降時(shí)程曲線

DK18+160-1～DK18+160-6為斷面DK18+160地表的 6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選擇具有代表性的測(cè)點(diǎn) 1,4,5進(jìn)行分析。地表累計(jì)沉降時(shí)程曲線見(jiàn)圖4?？梢?jiàn)：開(kāi)挖兩側(cè)導(dǎo)坑階段地表沉降緩慢增大，受施工等影響出現(xiàn)小范圍波動(dòng)，各測(cè)點(diǎn)的沉降和隆起值在-6～+2 mm變化，整體呈增大趨勢(shì)；在施作支護(hù)階段90 d 左右測(cè)點(diǎn)DK18+160-5出現(xiàn)了明顯的隆起現(xiàn)象，最大隆起值達(dá)到3 mm，但未超過(guò)控制值15 mm，可能與該處回填土厚度以及周邊橋墩作用有關(guān)，施工階段應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注地表沉降以及周邊橋墩沉降情況。在開(kāi)挖核心土(120 d)后，地表沉降明顯增加，隨后沉降逐漸趨于穩(wěn)定，部分測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)小范圍的隆起，但整體波動(dòng)幅度不大。測(cè)點(diǎn)DK18+160-4位于大跨中軸線位置，其余各測(cè)點(diǎn)均勻分布于大跨中軸線兩側(cè)，測(cè)點(diǎn)DK18+160-4地表累計(jì)沉降最大，其值為12.44 mm，未超出TB 10003—2016規(guī)定的報(bào)警值50 mm。

3 有限元模擬

3.1 模型的建立

采用MIDAS/GTS建立有限元數(shù)值模型，見(jiàn)圖5，對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬。隧道圍巖采用三維實(shí)體單元。初期支護(hù)采用雙層鋼筋網(wǎng)作為骨架，在鋼筋網(wǎng)部位噴射厚30 cm的C25混凝土；二次襯砌及仰拱采用厚100 cm的C40鋼筋混凝土。隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 有限元數(shù)值模型

圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)彈性模量/MPa重度/(kN/m3)黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)泊松比模型砂質(zhì)泥巖1 66025.60.7533.30.36摩爾庫(kù)倫噴射混凝土28 00023.00.20彈性錨桿200 00078.00.30彈性二次襯砌33 50025.00.20彈性

根據(jù)有限元理論結(jié)合工程實(shí)際，分析模型寬取5倍 洞徑，拱頂?shù)降乇砀餐梁袢?2 m，仰拱至底部取2倍 洞徑。模型左右邊界施加水平方向約束，底部邊界施加豎向和水平向約束，頂部為自由邊界。圍巖選擇摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，其他結(jié)構(gòu)采用各向同性彈性模型[10]。

3.2 施工步驟

模擬實(shí)際施工過(guò)程，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，具體步驟：

1)首先開(kāi)挖土體①，每個(gè)分析步長(zhǎng)5 m，應(yīng)力釋放30% 后進(jìn)行初期支護(hù)，土體①開(kāi)挖完一個(gè)施工步后，開(kāi)始開(kāi)挖土體②，隨后土體①和②同時(shí)進(jìn)行貫通開(kāi)挖，然后交替進(jìn)行土體③～⑥的開(kāi)挖和初期支護(hù),開(kāi)挖核心土⑦～⑨。

2)核心土開(kāi)挖完成及初期支護(hù)完畢后，拆除臨時(shí)支撐施作二次襯砌。

3.3 結(jié)果與分析

圖6(a)為圍巖Von Mises應(yīng)力云圖?？梢?jiàn)：拱腳及邊墻附近應(yīng)力值較大。扁平超大斷面隧道拱頂受力面積較大，拱腳應(yīng)力集中，應(yīng)力為1.21×103kPa。

圖6(b)為圍巖豎向位移云圖?？梢?jiàn)：拱頂沉降范圍及沉降值較大，仰拱有隆起現(xiàn)象，拱頂最大沉降為5.28 mm，仰拱隆起為7.54 mm。施工階段應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)封閉成環(huán)。

圖6 圍巖受力及變形云圖

圖7 數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

3.4 數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

選取拱頂中間監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，見(jiàn)圖7?？梢?jiàn)：拱頂累計(jì)沉降及拱腳累計(jì)水平收斂的數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值較為吻合，但地表累計(jì)沉降數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值存在較大差異，特別是拆除中隔墻后地表累計(jì)沉降實(shí)測(cè)值顯著增大。原因：①由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件復(fù)雜，隧道的開(kāi)挖及支護(hù)都會(huì)對(duì)圍巖造成擾動(dòng)；②重慶地區(qū)雨量較大，地下水豐富，該工程為淺埋扁平隧道，數(shù)值模擬未能準(zhǔn)確模擬地表降水、地下水及局部圍巖條件；③該隧道地表土為人工填土，由于雨水的浸入，地表沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)稍大。

4 結(jié)論

1)淺埋超大斷面隧道容易受到地表構(gòu)筑物影響而出現(xiàn)地表隆起現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，避免對(duì)地表環(huán)境造成影響。

2)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法有效控制了拱頂沉降，各步開(kāi)挖對(duì)圍巖擾動(dòng)較小，但拆除中隔墻時(shí)拱頂沉降會(huì)突然增大，并出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。這是由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件復(fù)雜，未能及時(shí)支護(hù)并封閉成環(huán)。

3)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中地表累計(jì)沉降及拱頂累計(jì)沉降曲線出現(xiàn)2個(gè)臺(tái)階，突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)于拆除中隔墻時(shí)。拱腳累計(jì)水平收斂曲線出現(xiàn)3個(gè)臺(tái)階，2個(gè)突變點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)左右導(dǎo)坑開(kāi)挖和拆除中隔墻時(shí)。施工中應(yīng)當(dāng)增強(qiáng)拱腳支護(hù)強(qiáng)度。

4)扁平超大斷面隧道拱頂受力作用面積大，受力較大部位由拱腰下移至邊墻附近，拱腳應(yīng)力集中，開(kāi)挖完成時(shí)仰拱隆起，應(yīng)及時(shí)封閉成環(huán)。

5)工程實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明采用的數(shù)值模型合理，能夠較為真實(shí)地模擬實(shí)際施工，可為類似工程提供參考。