金星亮，胡曦波

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

多條線路交匯對隧道斷面面積提出了更高的要求。在客運專線及軌道交通隧道中嘗試了大斷面隧道，國內(nèi)對于大斷面隧道的設(shè)計和施工積累了一些經(jīng)驗。

文獻(xiàn)[1]采用MIDAS/GTS對扁平超大斷面隧道施工力學(xué)特征進(jìn)行了分析，得到了施工過程中隧道圍巖變形規(guī)律。文獻(xiàn)[2-3]通過現(xiàn)場試驗、理論分析及數(shù)值模擬分別對砂質(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)場實測3種方法，對不同開挖方式和支護(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)測數(shù)據(jù)，分析了某大跨軟弱圍巖隧道開挖擾動區(qū)域的時空分布特征；文獻(xiàn)[6]對 6 種施工方案下超大斷面黃土隧道開挖過程中圍巖變形進(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隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，但對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)場測試及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 工程概況

重慶軌道交通5號線單拱四線地鐵隧道為國內(nèi)在建最大跨度暗挖區(qū)間隧道，鉆爆法開挖。扁平超大斷面隧道段長約53 m，開挖跨度27.6 m，高度17.2 m，拱頂覆土厚12 m，開挖斷面388.47 m3，矢跨比近0.62，圍巖為砂質(zhì)泥巖，Ⅳ級。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，步序見圖1，左右導(dǎo)坑開挖依次錯開3～5 m。分步開挖后進(jìn)行支護(hù)。將各分步開挖的相互影響降到最低，進(jìn)而控制整個斷面開挖坍塌風(fēng)險。開挖過程中嚴(yán)格控制爆破振動，對地表藥廠、高層建筑的振動影響也應(yīng)降到最低。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工步序

超大斷面隧道開挖后將會出現(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，對地表建(構(gòu))筑物影響較大。

2 現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 測點布置

圖2 洞內(nèi)測點布置(單位：cm)

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

2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

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

圖3 拱頂累計沉降時程曲線

圖4 地表累計沉降時程曲線

DK18+160-1～DK18+160-6為斷面DK18+160地表的 6 個監(jiān)測點，選擇具有代表性的測點 1,4,5進(jìn)行分析。地表累計沉降時程曲線見圖4?？梢姡洪_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，各測點的沉降和隆起值在-6～+2 mm變化，整體呈增大趨勢；在施作支護(hù)階段90 d 左右測點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，部分測點出現(xiàn)小范圍的隆起，但整體波動幅度不大。測點DK18+160-4位于大跨中軸線位置，其余各測點均勻分布于大跨中軸線兩側(cè)，測點DK18+160-4地表累計沉降最大，其值為12.44 mm，未超出TB 10003—2016規(guī)定的報警值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，見圖5，對隧道開挖過程進(jìn)行動態(tài)仿真模擬。隧道圍巖采用三維實體單元。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

模擬實際施工過程，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，具體步驟：

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

2)核心土開挖完成及初期支護(hù)完畢后，拆除臨時支撐施作二次襯砌。

3.3 結(jié)果與分析

圖6(a)為圍巖Von Mises應(yīng)力云圖。可見：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。可見：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，及時封閉成環(huán)。

圖6 圍巖受力及變形云圖

圖7 數(shù)值模擬值與實測值對比

3.4 數(shù)值模擬值與實測值對比

選取拱頂中間監(jiān)測點，將數(shù)值模擬值與實測值對比，見圖7。可見：拱頂累計沉降及拱腳累計水平收斂的數(shù)值模擬值與實測值較為吻合，但地表累計沉降數(shù)值模擬值與實測值存在較大差異，特別是拆除中隔墻后地表累計沉降實測值顯著增大。原因：①由于現(xiàn)場施工條件復(fù)雜，隧道的開挖及支護(hù)都會對圍巖造成擾動；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，地表沉降實測數(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，避免對地表環(huán)境造成影響。

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

3)在隧道開挖過程中地表累計沉降及拱頂累計沉降曲線出現(xiàn)2個臺階，突變點對應(yīng)于拆除中隔墻時。拱腳累計水平收斂曲線出現(xiàn)3個臺階，2個突變點分別對應(yīng)左右導(dǎo)坑開挖和拆除中隔墻時。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，開挖完成時仰拱隆起，應(yīng)及時封閉成環(huán)。

5)工程實測值與數(shù)值模擬值變化趨勢一致，說明采用的數(shù)值模型合理，能夠較為真實地模擬實際施工，可為類似工程提供參考。