歐予月

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074）

地鐵建設(shè)蓬勃發(fā)展，截止2020 年初，北京、上海共修建1404km 地鐵，并預(yù)計(jì)在2025 年前新增多條軌道交通線(xiàn)路。為滿(mǎn)足人口的增加和區(qū)域功能的變化，部分地區(qū)需要增設(shè)或調(diào)整部分站點(diǎn)。地鐵隧道擴(kuò)建，具有斷面大、施工時(shí)序復(fù)雜、圍巖易失穩(wěn)及支護(hù)結(jié)構(gòu)易破壞等特點(diǎn)。因此，安全、經(jīng)濟(jì)、高效的開(kāi)挖工法尤為重要。

隧道原位擴(kuò)建工法研究有許多先例。張正雨[1]等通過(guò)調(diào)研分析結(jié)合數(shù)值模擬將原設(shè)計(jì)的CD 法優(yōu)化為超前小導(dǎo)管支護(hù)下的三臺(tái)階施工工法。余順[2]等通過(guò)對(duì)單洞3 車(chē)道隧道擴(kuò)建成4 車(chē)道隧道擴(kuò)挖方法進(jìn)行研究，提出三種開(kāi)挖工法并做優(yōu)劣對(duì)比。賴(lài)勇[3]依托宋家溝1 號(hào)隧道，針對(duì)滲流作用下既有淺埋偏壓隧道的4 種擴(kuò)建方式進(jìn)行數(shù)值分析研究。譚儀忠[4]依托重慶渝州隧道對(duì)擴(kuò)建施工方案進(jìn)行研究并提出單側(cè)擴(kuò)建施工方案。林嗣雄[5]以金雞山特大斷面隧道原位擴(kuò)建工程為背景，分別對(duì)傳統(tǒng)中隔壁法擴(kuò)挖方案和核心五步法擴(kuò)挖方案進(jìn)行精細(xì)化數(shù)值模擬，重點(diǎn)關(guān)注圍巖壓力、支護(hù)彎矩和洞身收斂隨施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化。丁廣[6]以南嶺隧道改擴(kuò)建工程為背景，利用有限元軟件對(duì)南嶺隧道的不同擴(kuò)挖方法進(jìn)行分析，研究了不同擴(kuò)挖方法對(duì)隧道圍巖位移的影響。本文將依托該擴(kuò)建隧道工程，對(duì)比CD 法、臺(tái)階法及全斷面法。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)及水文環(huán)境

擬建場(chǎng)地原為構(gòu)造剝蝕淺丘溝谷地貌，經(jīng)鉆探勘察，場(chǎng)地內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)(Q4)和侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)沉積巖層。第四系覆蓋層厚度一般較??；基巖為砂巖和砂質(zhì)泥巖互層的陸相碎屑巖沉積建造，含水微弱。砂質(zhì)泥巖中間存在砂巖夾層，場(chǎng)地內(nèi)的圍巖為砂質(zhì)泥巖。地下水富水性受地形地貌、巖性及裂隙發(fā)育程度控制，主要為大氣降雨補(bǔ)給。

1.2 開(kāi)挖工法研究

隧道設(shè)計(jì)采用CD 法施工，共分4 部。本文將對(duì)比CD 法、臺(tái)階法及全斷面開(kāi)挖三種開(kāi)挖方法，依托于該地鐵隧道，通過(guò)建模計(jì)算，最終得出最適合該隧道的施工方法，開(kāi)挖示意圖見(jiàn)圖1 所示。

2 隧道開(kāi)挖模擬

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

模型采用Midas GTS 建立，左右及垂直計(jì)算范圍分別取隧道跨度及高度的3 倍，頂面取至地面。隧道圍巖本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型，以考慮圍巖的非線(xiàn)性變形，初支結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M，參數(shù)取鋼支撐與混凝土的等效計(jì)算參數(shù)，錨桿采用植入式桁架單元。CD 法隧道模型如圖2 所示，其它兩種工法模型相似。

圖2 模型網(wǎng)格劃分圖

模型中巖層、支護(hù)結(jié)構(gòu)及混凝土計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，得到三種工法的拱頂沉降結(jié)論：CD 法（5.28mm）＞臺(tái)階法(5.22mm)＞全斷面法（5.10mm）。結(jié)合工程地質(zhì)情況分析，由于該隧道圍巖屬于砂質(zhì)泥巖，巖質(zhì)完整性較好，全斷面開(kāi)挖法對(duì)其圍巖擾動(dòng)次數(shù)少，且支護(hù)結(jié)構(gòu)閉環(huán)及時(shí)，因此拱頂變形最小。CD 法由于開(kāi)挖分部較多，對(duì)圍巖擾動(dòng)次數(shù)多，耽誤隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)閉環(huán)時(shí)間，變形相對(duì)較大。

隧道底部隆起變形最大位置均位于隧道中線(xiàn)右側(cè)，因?yàn)榧扔兴淼篱_(kāi)挖時(shí)，隧道下部巖土首次經(jīng)歷隆起變形，并達(dá)到新平衡狀態(tài)?，F(xiàn)進(jìn)行擴(kuò)建，右側(cè)巖土被挖，底部巖土原受壓狀態(tài)發(fā)生改變，往臨空面變形大于左側(cè)。模擬結(jié)果為：臺(tái)階法=全斷面法(6.20mm)＞CD 法（6.09mm）。支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分布范圍見(jiàn)圖3 所示。

2.2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力

通過(guò)模型計(jì)算隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力，得出隧道采用全斷面法開(kāi)挖時(shí)，左右軸力程對(duì)稱(chēng)趨勢(shì)，拱肩處受力最大；采用CD 法施

作者簡(jiǎn)介：歐予月（1997-），男，漢族，籍貫：四川成都，工程碩士，重慶交通大學(xué)建筑與土木工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：橋隧工程。工，軸力明顯不對(duì)稱(chēng)，右側(cè)拱腰知拱肩段受拉力；臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，軸力與全斷面相似，但其左拱腰處局部受拉。最大軸力為：全斷面法＞臺(tái)階法＞CD 法，如圖4 所示。

表1 模型參數(shù)表

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分布圖

3 結(jié)論與建議

本文結(jié)合依托工程對(duì)原位擴(kuò)建隧道擴(kuò)挖工法進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)數(shù)值模擬手段計(jì)算隧道圍巖變形，通過(guò)圍巖變形規(guī)律分析其工法優(yōu)劣，得到以下結(jié)論。

3.1 當(dāng)圍巖狀況較好時(shí)，采用全斷面開(kāi)挖法對(duì)圍巖擾動(dòng)次數(shù)最少，支護(hù)閉環(huán)及時(shí)，圍巖變形最小，效果最優(yōu)。

3.2 原位擴(kuò)建隧道底部隆起最大值位于隧道中線(xiàn)右側(cè)。可能是由于原左側(cè)開(kāi)挖既有隧道時(shí)巖土已經(jīng)經(jīng)歷隆起變形，并達(dá)到平衡狀態(tài)。右側(cè)巖土層新開(kāi)挖，應(yīng)力重分布，導(dǎo)致隆起變形大于左側(cè)。

3.3 全斷面開(kāi)挖時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力最大，但其軸力較對(duì)稱(chēng)，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較好。CD 法雖軸力最小，但其軸力極不對(duì)稱(chēng)，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。

3.4 三種開(kāi)挖工法數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果差距不大，變形均較小，對(duì)于該依托工程均適用。但全斷面開(kāi)挖法效率高，經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。