趙 衛(wèi) 師亞龍

(1.中鐵國(guó)際集團(tuán)安哥拉分公司，安哥拉； 2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731)

0 引言

隨著地下軌道交通工程事業(yè)的發(fā)展，淺埋暗挖大斷面偏壓車(chē)站及隧道不斷涌現(xiàn)，埋深越淺、斷面越大、偏壓越明顯開(kāi)挖過(guò)程的安全性成為亟待解決的重要問(wèn)題。相比明挖地鐵車(chē)站，暗挖地鐵車(chē)站的施工復(fù)雜性高、難度大，所以更應(yīng)開(kāi)展相關(guān)研究，探討如何根據(jù)暗挖地鐵車(chē)站的不同結(jié)構(gòu)形式，選擇科學(xué)合理的施工工法[1,2]。文獻(xiàn)[3][4]針對(duì)大跨隧道在施工過(guò)程中，由于跨度較大而引起較多的不利因素導(dǎo)致施工進(jìn)展困難，文章應(yīng)用有限元方法對(duì)大跨度隧道的完整開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬研究，模擬開(kāi)挖采用能保證施工安全的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)圍巖的位移、初期支護(hù)的剪力、彎矩以及錨桿軸力動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)控，提出大跨度隧道施工中容易出現(xiàn)的問(wèn)題及相應(yīng)的解決措施。奚正兵等[5]采用數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)不同的施工方法開(kāi)挖隧道引起地表變形、塑性區(qū)分布、地層分層沉降的特性和機(jī)理，在此基礎(chǔ)上提出了相關(guān)的施工技術(shù)措施，使隧道在整個(gè)施工過(guò)程中都處于安全可靠范圍之內(nèi)。然而上述文獻(xiàn)研究多數(shù)集中在單一的大跨隧道施工，而針對(duì)大跨淺埋偏壓隧道的施工方法研究較少，且從以往文獻(xiàn)中，少有發(fā)現(xiàn)專門(mén)針對(duì)大跨隧道拆撐方法的研究。

基于此，本文采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)該車(chē)站不同開(kāi)挖方法的施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)各種工法下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形、地表沉降等進(jìn)行對(duì)比分析，以便尋求合理施工方法及拆撐方法，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

1 工程地質(zhì)概況

某地鐵車(chē)站為局部暗挖、局部明挖的10.0 m寬島式站臺(tái)車(chē)站，暗挖段分為雙層和三層直墻拱形結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)約為111.9 m，明挖段為三層矩形框架結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)約為41.9 m。其中車(chē)站主體部分暗挖段頂部為拱形結(jié)構(gòu)，暗挖段下斷面及明挖段采用單柱雙跨混凝土框架結(jié)構(gòu)。暗挖段暗挖隧道標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖斷面面積最大達(dá)407.1 m2，斷面寬度19.8 m，高度21.14 m，隧道最淺埋深僅約12 m，同時(shí)隧道兩側(cè)埋深不一，存在較大偏壓現(xiàn)象，因此對(duì)施工安全性造成較大影響。

根據(jù)地勘資料，車(chē)站所處的地質(zhì)情況由上向下主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積層、洪積層(主要為淤泥質(zhì)和粉質(zhì)粘土)，以及第四系上更新統(tǒng)坡積層、殘積層(主要為粘土、粉質(zhì)粘土、礫質(zhì)粘性土及粉土)，以及風(fēng)化性花崗巖和角巖。

2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

本次計(jì)算采用地層荷載法，隧道斷面尺寸及相應(yīng)地形地質(zhì)資料，不考慮空間效應(yīng)，按平面應(yīng)變問(wèn)題模擬。數(shù)值模擬計(jì)算中只考慮巖體的自重，忽略其構(gòu)造應(yīng)力。初期支護(hù)采用2節(jié)點(diǎn)平面梁(Beam3)單元，上覆蓋層和圍巖采用平面4節(jié)點(diǎn)等參單元(Plane42)模擬，計(jì)算中圍巖采用Drucker-Prager彈塑性本構(gòu)關(guān)系。模型自隧道中心水平向外各取5倍隧道外徑，垂直向下取4倍隧道外徑。模型上端自由，底部豎向位移約束，兩側(cè)水平位移約束，其計(jì)算模型如圖1所示。

由于隧道開(kāi)挖斷面尺寸較大，為確保在暗挖隧道施工過(guò)程中的安全性，主要對(duì)大斷面隧道開(kāi)挖常用的三種方法即三臺(tái)階開(kāi)挖法、中隔墻法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等進(jìn)行模擬分析對(duì)比(見(jiàn)圖2)。

2.2 計(jì)算參數(shù)

圍巖及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)該車(chē)站的設(shè)計(jì)資料選取，并參考現(xiàn)有鐵路規(guī)范進(jìn)行取值，圍巖及支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖及支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力分析

不同的施工工法下，其圍巖最大、最小主應(yīng)力如表2所示。

表2 不同工法下最大、最小主應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表

由表2可以看出，在各工法施工中，圍巖應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，其中三臺(tái)階法、中隔墻法與雙側(cè)壁法的最大主應(yīng)力分別為1.71 MPa,1.60 MPa和1.40 MPa。而作用位置均處于左邊墻處，主要是由于隧道處于偏壓圍巖中所造成的。而最小主應(yīng)力中，臺(tái)階法施工時(shí)，其仰拱處產(chǎn)生受拉現(xiàn)象。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，仰拱處壓應(yīng)力要遠(yuǎn)大于中隔墻法。由此可知，在保持圍巖穩(wěn)定性方面，三種工法的優(yōu)先性分別為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法>中隔墻法>三臺(tái)階法。

3.2 塑性區(qū)分析

不同施工工法所造成的隧道圍巖塑性區(qū)范圍如表3所示。

表3 不同施工工法下隧道圍巖塑性區(qū)范圍

由表3可知，在各工法施工中，三臺(tái)階法在開(kāi)挖時(shí)形成的塑性區(qū)范圍最大，而中隔墻法開(kāi)挖時(shí)形成的塑性區(qū)范圍次之，雙側(cè)壁法開(kāi)挖時(shí)形成的塑性區(qū)范圍最小。同時(shí)以上三種施工工法，隧道最大塑性區(qū)均處于邊墻處，而對(duì)于三臺(tái)階法和中隔墻法其仰拱處塑性區(qū)相對(duì)來(lái)說(shuō)也較大，但是對(duì)于雙側(cè)壁法其仰拱處幾乎不存在塑性區(qū)。因此在施工過(guò)程中應(yīng)注意加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和及時(shí)施作支護(hù)結(jié)構(gòu)，以及改善塑性區(qū)圍巖的參數(shù)，阻止塑性區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展。

同時(shí)由于隧道處于偏壓圍巖中，偏壓現(xiàn)象較明顯，左右兩側(cè)塑性區(qū)范圍相差較大，施工中應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控，并采取一定的措施消除偏壓的影響。

3.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

在不同施工工法下，對(duì)隧道不同開(kāi)挖步序下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行分析，分析初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征等，指出每步開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)注意的最不利結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。具體的支護(hù)結(jié)構(gòu)模型單元號(hào)如圖3所示，其最大內(nèi)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 不同工法下支護(hù)結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力統(tǒng)計(jì)表

類別施工工法襯砌內(nèi)力臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力襯砌軸力/N襯砌彎矩N·m支撐軸力/N支撐彎矩N·m最大內(nèi)力值三臺(tái)階法4.07E+061.78E+062.60E+061.46E+06中隔墻法2.93E+061.87E+064.36E+062.74E+06雙側(cè)壁導(dǎo)坑法2.65E+061.80E+064.18E+060.46E+06最大值位置三臺(tái)階法左邊墻左邊墻與仰拱相接處橫撐2橫撐2中部中隔墻法左邊墻左邊墻與仰拱相接處豎撐7橫撐1與豎撐5相接處雙側(cè)壁導(dǎo)坑法左邊墻左邊墻與仰拱相接處豎撐9豎撐12與橫撐6相接處

由表4可知，當(dāng)采用三臺(tái)階法施工時(shí)，初期支護(hù)的結(jié)構(gòu)受力最大，最大軸力達(dá)到了4.07 MN；橫撐的軸力在開(kāi)挖下臺(tái)階時(shí)增加較大，最大軸力達(dá)到了1.78 MN。采用中隔墻法施工時(shí)，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大受力軸力為2.93 MN，而豎撐的最大受力軸力達(dá)4.36 MN，位于豎撐與橫撐的相接處。采用雙側(cè)壁法施工時(shí)，同樣是豎撐受力狀態(tài)最不利，在開(kāi)挖中最大軸力4.18 MN，豎撐與橫撐的相接處，而其永久支護(hù)結(jié)構(gòu)最大值為2.65 MN，位于邊墻與橫撐的相接處；對(duì)于三種施工工法，其永久結(jié)構(gòu)彎矩最大值均位于左邊墻與仰拱相接處。同時(shí)其不同施工工法下的襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力最大值均位于左邊墻，主要是由于圍巖偏壓現(xiàn)象所造成。

綜上所述可知，臺(tái)階法施工時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力、彎矩最大，其次是中隔墻法，雙側(cè)壁法受力最小。

3.4 地表沉降

由圖4可以看出，三臺(tái)階法的地表沉降最大，中隔墻法次之，雙側(cè)壁法最小，且?guī)缀醭杀稊?shù)遞減。

4 結(jié)論及展望

1)對(duì)于淺埋偏壓隧道，其圍巖應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，在各工法施工中，從圍巖的最大、最小應(yīng)力場(chǎng)云圖看，在隧道拱頂、仰拱及邊墻處應(yīng)力值較大。其中三臺(tái)階法的應(yīng)力集中現(xiàn)象最為顯著，中隔墻法與雙側(cè)壁法相對(duì)較小。

2)在各工法施工中，三臺(tái)階法在開(kāi)挖時(shí)形成的塑性區(qū)范圍最大，而中隔墻法和雙側(cè)壁法開(kāi)挖時(shí)形成的塑性區(qū)范圍較小。開(kāi)挖初期，塑性區(qū)集中于拱腳處等，隨著分層開(kāi)挖的進(jìn)行，塑性區(qū)逐漸向邊墻及仰拱處轉(zhuǎn)移，并逐步擴(kuò)展。

3)現(xiàn)場(chǎng)施工中采用三臺(tái)階法施工時(shí)，橫撐的軸力在開(kāi)挖下臺(tái)階時(shí)增加較大。而在中隔墻法和雙側(cè)壁法施工中，豎撐受力較大。

4)各工法施工中，采用三臺(tái)階法施工時(shí)地表沉降最大，采用中隔墻法施工時(shí)地表沉降及洞周位移變化次之，采用雙側(cè)壁法施工時(shí)地表沉降最小。