韓麗媛，汪海波，王松青，宗 琦

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中煤礦山建設(shè)(集團)城市交通建設(shè)分公司，安徽 合肥 230091)

地鐵建設(shè)過程中，隧道的開挖會造成圍巖的應(yīng)力重分布產(chǎn)生位移[1-2]。較大的位移會引起沉降和大變形，甚至造成地表塌陷、建筑物倒塌[3-5]。因此地鐵隧道的變形問題是關(guān)系建設(shè)安全和進度的關(guān)鍵問題[6-8]，為避免隧道工程開挖對周圍地層產(chǎn)生不良影響，必須對地層沉降和變形進行有效的預(yù)測，從而合理控制隧道開挖引起的地層沉降。

有限元數(shù)值模擬軟件可以根據(jù)實際工程地質(zhì)條件、施工方法、選擇對模擬條件進行設(shè)置，利用計算機技術(shù)和數(shù)值分析的方法進行有效的數(shù)值模擬，預(yù)測隧道開挖變形，因此得到廣泛應(yīng)用[9-10]。文獻[11]采用PLAXIS軟件模擬研究了固定埋深、單一圍巖下的不同凈距對中夾巖核心區(qū)受力影響以及同一平面上拱頂?shù)乇沓两?、拱頂及拱底的位移；文獻[12]基于Gibson土建立隧道三維實體結(jié)構(gòu)計算模型，研究平行雙孔隧道異步開挖的滯后距離對兩隧道同一平面間隔相同角度各點的位移；文獻[13]采用模擬實驗研究小凈距隧道施工過程中的相互影響，并用數(shù)值模擬的結(jié)論作為對比參考。文獻[14]運用MIDAS GTS建立三維模型模擬了某地鐵工程正線盾構(gòu)下線明挖區(qū)間的開挖過程，分析了土體變形對上部明挖區(qū)間的影響。

武漢市軌道交通27號線一期項目是江夏區(qū)首條地鐵線路，由于青龍山地區(qū)覆土層逐漸減小，該線路紙坊大街站-地鐵小鎮(zhèn)站正線區(qū)間暗挖隧道采用礦山法施工。由于線路從紙坊大街站出來后隧道間距小，地表為城市道路和居民區(qū)，覆蓋層為黏土和中風(fēng)化石灰?guī)r，且隧道頂板處于巖土層分界面、上覆石灰?guī)r厚度較薄，故建立非單一圍巖的實體三維模型，分析凈距和異步開挖對隧道變形的影響，以控制開挖步距，為周邊地鐵隧道施工提供參考。

1 工程概況

紙坊大街站-地鐵小鎮(zhèn)站正線區(qū)間暗挖隧道和出入場線并行，區(qū)間起點里程DK0+074.200。出入場線位于正線區(qū)間左、右線之間，并線段出入場線與正線最小凈間距1.64m(凈巖柱)。出入場線凈寬11.8m，凈高9.6m。左右隧道凈寬6.98m，凈高7.401m。各隧道及地面道路位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 隧道間平面位置關(guān)系

該區(qū)段主要穿越中風(fēng)化石灰?guī)r，上覆土層主要是紅粘土、雜填土、粉質(zhì)黏土、粘土夾碎石。隧道下穿青龍山，基巖埋深較淺，裂隙發(fā)育，入滲條件好，接受大氣降水補給后，側(cè)向徑流補給場區(qū)地下水，徑流條件較好，施工期間降水量較少，地下水水位較低，水量相對較小，具有明顯的動態(tài)特征。

2 數(shù)值計算方案

2.1 數(shù)值計算模型

由于已定出入場線待左右線隧道永久襯砌施做后再行開挖，模擬計算選取實際工程中左右隧道開挖、支護過程進行研究，忽略出入場線開挖。根據(jù)設(shè)計情況，隧道頂板埋深19.6m，利用ANSYS建立模型，原點在兩隧道凈距中點處，長91m，寬47m，沿開挖方向取50m。其中左右邊界各取30m，下邊界為20m，兩隧道實際凈距為15m。對于模型位移的邊界[15-17]，對其左右施加水平方向力的約束。對于力的邊界，僅考慮土體的自重，取重力加速度g=9.8 m/s2。

計算采用D-P本構(gòu)模型，巖土體采用solid45單元，支護結(jié)構(gòu)采用shell63單元，采用Mesh200單元建立巖土體的面模型和支護的線模型，然后將線模型拉伸為殼模型，面拉伸為體模型。

2.2 數(shù)值計算方案

為研究凈距和不同超前距離開挖時隧道的變形特征，結(jié)合工程特點，凈距設(shè)計為1.64m、3m、9m、15m四種，超前距離設(shè)計為0m、10m、20m、30m、40m、50m六種；共24種計算工況。

上層覆蓋簡化成厚度均勻變化的土層。模擬時對錨桿支護采取簡化處理，將隧道左右兩側(cè)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)提高為C25混凝土，其加固厚度為0.9～2.5m均勻變化，做二次襯砌與開挖時間間隔較久，所以二次襯砌的作用效果不予考慮[18]。左右隧道的開挖采用全斷面一次開挖，每次開挖2m后，施作初期支護，包括噴射350mm厚C25混凝土和邊墻安裝3.5mφ25中空注漿錨桿，環(huán)縱向1m×0.5m。左線隧道先行開挖，等開挖至預(yù)設(shè)超前距離時再進行右線隧道開挖。為研究拱頂、拱腰和地表沉變形，沿左隧道開挖方向10m每2m選取一個監(jiān)測斷面。

2.3 數(shù)值計算參數(shù)

根據(jù)巖土工程勘察報告，采用的各巖土層及噴射混凝土的基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體和噴射混凝土參數(shù)

3 數(shù)值計算結(jié)果與分析

3.1 小凈距隧道開挖地層位移分布特征

由于設(shè)置的工況種類較多，僅列出凈距1.64m超前0m和10m時的位移云圖，如圖2所示。

(a)超前0m時地層位移云圖

(b)超前10m時地層位移云圖圖2 小凈距隧道開挖地層位移分布

由圖2可知，兩種開挖方式地層位移分布特征相似，最大沉降量都在拱頂，分別為18.6mm和17.08mm；最大隆起量在拱底；且圖2(a)的地層沉降寬度和沉降量均大于圖2(b)，表明異步開挖能夠有效減小地層位移變形。

3.2 單個隧道開挖位移特征

模擬分析時，每次開挖2m，開挖總長=2×開挖次數(shù)n，左線隧道開挖至各工況設(shè)定的超前距離后停止開挖，再進行右線隧道開挖。得到左線隧道單獨開挖時沿開挖長度上各個截面拱頂點A豎直位移、拱腰點D水平位移量變化情況，如圖3所示。

(a)左線隧道拱頂豎直位移量

(b)左線隧道拱腰水平位移量圖3 左線隧道開挖的位移特征

由圖3(a)可知，當?shù)谝淮伍_挖時，位移最大值在洞口，為14mm；隨著隧道開挖次數(shù)的增加，每次開挖所產(chǎn)生的位移變形量越小，所有監(jiān)測點的位移最后都趨于一個穩(wěn)定值；開挖時，除了對已開挖的隧道產(chǎn)生擾動外，對開挖面前方4m范圍內(nèi)也產(chǎn)生了影響，拱頂也出現(xiàn)下沉，施工時要控制一次開挖距離，避免因距離過大引起冒頂。

由圖3(b)可知，左線隧道的拱腰水平位移與圖3(a)的拱頂豎直位移，具有相同的變化規(guī)律。說明每2m前進開挖，在沿隧道開挖方向上的開挖前4m左右范圍內(nèi)的位移變化有影響。

3.3 不同超前距離時隧道拱頂位移變化

模擬時左線隧道先行開挖、右線隧道后開挖，施工過程對左線隧道影響更大，故僅對左線隧道各監(jiān)測點位移量進行分析。圖4為不同工況時左線隧道拱頂點的位移量與開挖距離關(guān)系；超前間距50m、40m、30m變化趨勢一致，限于篇幅未予列出。

由圖4(a)可知，當兩隧道同時開挖時相對于左線隧道單獨開挖，拱頂位移量整體變化趨勢一致。當凈距大于9m時各個監(jiān)測點拱頂豎直位移相差很小，說明凈距大于9m時右線隧道開挖對左線隧道的拱頂豎直位移影響很小，而小于此值時開挖施工應(yīng)更謹慎。

圖4(b)為當超前間距在10m時各點的拱頂位移量變化情況，左線隧道的拱頂變形量先增大后減小，隨著開挖的進行位移量越小，且與凈距大小關(guān)系不密切。

(a)超前0m時左線隧道拱頂位移變化

(b)超前10m時左線隧道拱頂位移變化

(c)超前20m時左線隧道拱頂位移變化圖4 左線隧道拱頂位移變化

圖4與圖3相比較，對于同一個截面，當凈距相同時，隨著超前距離增大左隧道超前開挖的位移量減小；當右隧道繼續(xù)開挖時，不同超前距離的左隧道位移變化雖然變化趨勢一樣，最后穩(wěn)定的位移值仍然隨超前間距增大而減小。此外，隧道拱頂豎直位移受超前距離變化的影響大于凈距變化的影響。

3.4 不同超前距離時隧道拱腰位移變化

超前0m、10m、20m，凈距1.64m、3m、9m、15m時隧道拱腰位移變化如圖5所示。

(a)超前距離0m左線隧道拱腰水平位移

(b)超前距離10m左線隧道拱腰水平位移

(c)超前距離20m左線隧道拱腰水平位移圖5 左線隧道拱腰水平位移

由圖5可得，各凈距和超前距離時，隧道拱腰水平位移均在5mm以內(nèi)；且至開挖面距離越小，變形量越小。圖5(a)中凈距小于9m時，隧道拱腰位移出現(xiàn)負值，表明隧道圍巖向內(nèi)收縮。其他工況下，隧道拱腰位移均為正值，說明左線隧道受右線隧道施工影響和上覆巖土層自重作用，隧道拱腰向右線方向變形，即向外擴張。對比圖5和圖3(b)，對于同一個截面、凈距時，隨著超前距離增大左線隧道超前開挖的穩(wěn)定位移量減小；當右線隧道繼續(xù)開挖時，不同超前距離的左線隧道位移雖然變化趨勢一樣，最后穩(wěn)定的位移值仍然隨超前間距增大而減小。

3.5 不同超前距離時隧道拱頂?shù)乇砦灰谱兓?/h3>

表2和表3分別表示超前20m、50m時，右線隧道開挖時左線隧道地表位移的增加量。

表3 超前50m左線隧道地表沉降增加量 m

由表2、表3可知，右線隧道開挖增大了左線隧道地表沉降，但是不論凈距多少，地表沉降變化量相差不大。對于超前20m時，地表沉降量為正值，表明由于模型體中軸線處沉降值較大，隧道上方土體受到向中軸線方向擠壓，造成地表向上隆起。

4 現(xiàn)場監(jiān)測

4.1 實測數(shù)據(jù)

實際施工時，每10～15m布置一個斷面進行拱頂位移、 地層沉降監(jiān)測，監(jiān)測頻率為每1～2d1次。由于篇幅限制，僅列出左線開挖時DK45+878(距隧道口0m)和DK45+888(距隧道口10m)斷面30d的拱頂位移、地層沉降曲線如圖6所示。

(a)DK45+878斷面監(jiān)測點位移

(b)DK45+888斷面監(jiān)測點位移圖6 典型監(jiān)測點位移

根據(jù)施工場地周圍環(huán)境，確定隧道變形的警戒值為24mm、控制值為30mm。由圖6所示，隧道開挖后拱頂和地表位移較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)較大幅度的增長，均在警戒值范圍內(nèi)；且地表較拱頂位移量大，表明在超前支護作用下，隧道頂部具有較好的支撐作用。

4.2 實測數(shù)據(jù)對比分析

實際施工時左線隧道超前距離保持在20m以上，圖7為左線隧道超前20m不同開挖天數(shù)時圖4(c)監(jiān)測點1(距隧道口0m處)和監(jiān)測點2(距隧道口10m處)的拱頂位移與實際監(jiān)測結(jié)果柱狀對比。圖3與圖6的地層位移相比，數(shù)值模擬結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果相差1～2mm，均在警戒值允許范圍內(nèi)。表明模擬結(jié)果是可靠的，可以為施工方案與工序優(yōu)化提供參考。

圖7 監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果對比

5 結(jié)論

對于覆蓋層為黏土和中風(fēng)化石灰?guī)r、且隧道上覆石灰?guī)r厚度較薄條件下，凈距相同、超前間距大于10m時，先后開挖隧道的位移可以控制在安全范圍內(nèi)。

當超前距離相同，凈距大于9m時，后開挖隧道對先開挖隧道的水平和豎向位移的影響較小，且凈距越大位移變化率越小。

適當?shù)某熬嚯x可以減小地層位移和隧道的變形，超前距離越大最終位移越小。當兩隧道間凈距小于9m時應(yīng)該做好中隔巖墻的加固和支護，避免先開挖隧道向內(nèi)收縮過大。