陳志勇，朱紅西，舒 念，盧 淵，黃玨皓

（1.武漢市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，武漢 430023；2.武漢市市政工程機(jī)械化施工有限公司，武漢 430023；3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

近幾年全球氣候受到厄爾尼諾因素的影響，短時(shí)間的強(qiáng)降水突然增多，導(dǎo)致城市內(nèi)澇災(zāi)害嚴(yán)重。為推進(jìn)武漢“四水共治”建設(shè)，武漢光谷交通建設(shè)有限公司擬建設(shè)光谷一路—高新四路排水通道工程。該項(xiàng)目起于黃龍山北路，沿光谷一路西側(cè)規(guī)劃走廊向南延伸，止于高新四路路口，全長2 300 m，其中礦山法暗挖隧道780 m。暗挖隧道穿越紅黏土等特殊性巖土地段，地質(zhì)條件復(fù)雜。

目前，中外學(xué)者采用理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等手段，對大斷面礦山法隧道施工過程中的應(yīng)力及變形進(jìn)行了大量研究［1-3］。鄧偉等［4］依托廣西百色達(dá)康隧道實(shí)際工程，模擬了大斷面隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工流程，探究了動態(tài)施工過程中圍巖變形規(guī)律和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變化規(guī)律；李鵬宇等［5］依托重慶地鐵5 號線和睦站，對結(jié)合雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的TBM 先隧后站技術(shù)進(jìn)行工序優(yōu)選研究；韓立志等［6］以柞山高速段小嶺隧道為依托，建立數(shù)值分析模型對隧道洞口淺埋偏壓段開挖與支護(hù)過程進(jìn)行數(shù)值分析，探討了圍巖與襯砌材料的變形與應(yīng)力變化規(guī)律。

現(xiàn)以武漢市光谷一路—高新四路排水通道工程為例，運(yùn)用有限元分析軟件PLAXIS，建立雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道計(jì)算模型，對隧道開挖和支護(hù)全過程進(jìn)行數(shù)值分析，對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道不同施工階段下的地表沉降和拱頂沉降等進(jìn)行分析。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工方案適用于S6a/S6b 區(qū)段隧道，起訖里程分別為K0+122.421～K0+180.00、K0+505.00～K0+944.63。其中，初期支護(hù)采用CF30 鋼纖維噴射混凝土；二次襯砌采用C35P8 混凝土。隧道開挖后應(yīng)及時(shí)施作相應(yīng)的初期支護(hù)，初期支護(hù)穩(wěn)定后施作二次襯砌。隧道洞身采用復(fù)合式襯砌，以錨桿、鋼筋網(wǎng)噴混凝土、鋼拱架為初期支護(hù)，模筑混凝土和鋼筋混凝土為二次支護(hù)。開挖施工時(shí)，全斷面分6 部分依次開挖并進(jìn)行支護(hù)，如圖1 所示，施工順序?yàn)棰瘛颉蟆簟酢觥?/p>

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道橫截面及施工支護(hù)情況

1.2 地形地貌

據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，擬建場地位于野芷湖倒轉(zhuǎn)背斜核部南翼，沿線及附近場地?zé)o第四系全新統(tǒng)活動斷裂分布。據(jù)勘察資料揭露，擬建場地下伏基巖包括志留系泥巖、泥盆系石英砂巖、石炭系灰?guī)r、二疊系硅質(zhì)巖、炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖及灰?guī)r、三疊系灰?guī)r及泥灰?guī)r，埋深為0～10.0 m，其中灰?guī)r為可溶性巖，勘探過程中揭露有溶洞。

2 數(shù)值模型建立

2.1 計(jì)算模型

結(jié)合場地地質(zhì)資料和設(shè)計(jì)資料，在S6a、S6b 區(qū)段選取典型斷面，并采用PLAXIS 2D 軟件，分別建立有限元計(jì)算模型，開展數(shù)值模擬計(jì)算。兩個(gè)典型斷面的地質(zhì)情況如下。

1）S6b 區(qū)段選取AK0+675 附近下覆紅黏土層截面為研究對象。AK0+675 附近高程為37.07 m，場地內(nèi)地層概況為：地表分布有厚薄不均的人工填土，其下依次為黏土和紅黏土，再往下為灰?guī)r。隧道穿越黏土層，寬為13.56 m，高為7.01 m。模型地表以下依次分布著1.9 m 深的人工填土，18.0 m 深的黏土，4.0 m 深的紅黏土和13.0 m 深的灰?guī)r。

2）S6a 區(qū)段選取AK0+175 附近隧道截面為研究對象。AK0+175 附近高程為37.59 m，場地內(nèi)地層概況為：地表分布有厚薄不均的黏土，其下依次為9-1-1 強(qiáng)風(fēng)化泥巖、9-1-2 中風(fēng)化泥巖。隧道穿越9-1-2 中風(fēng)化泥巖層，寬為13.44 m，高為6.89 m。模型地表以下依次分布著2.5 m 深的黏土，2.5 m 深的9-1-1 強(qiáng)風(fēng)化泥巖和35.5 m 深的中風(fēng)化泥巖。

充分考慮開挖影響范圍和邊界效應(yīng)，計(jì)算模型水平方向總長取100 m，豎直方向視土層深度而定。計(jì)算模型的兩側(cè)邊界采用法向約束底部邊界采用全約束（法向、切向約束）。

計(jì)算分析中，土體采用三角形15 節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行模擬，S6b 區(qū)段單元數(shù)目為715，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為6 068；S6a 區(qū)段單元數(shù)目為878，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為7 298；有限元計(jì)算網(wǎng)格劃分如圖2 所示。其中，初襯、二襯及臨時(shí)襯砌均采用板單元模擬，錨桿等效到周圍土體參數(shù)中，其余均采用實(shí)體單元模擬，襯砌與土體接觸面上設(shè)置接觸單元。

2.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算分析中，土體采用摩爾-庫侖模型，采用等效的方法將錨桿加固區(qū)土體剛度及黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ進(jìn)行等效。初襯及臨時(shí)襯砌噴射混凝土及鋼拱架經(jīng)等效后得到的等效厚度及剛度賦值于板單元中模擬，二襯采用C35 強(qiáng)度等級混凝土。計(jì)算參數(shù)見表1～表4。

表1 S6b 區(qū)段土層計(jì)算參數(shù)

表2 S6a 區(qū)段土層計(jì)算參數(shù)

表3 S6b 區(qū)段襯砌計(jì)算參數(shù)

表4 S6a 區(qū)段襯砌計(jì)算參數(shù)表

2.3 計(jì)算步驟

施工過程嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)資料進(jìn)行數(shù)值模擬。施工中按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ順序分部開挖，每部開挖后施作相應(yīng)的初期支護(hù)1、2、3、4、5、6 及相應(yīng)的臨時(shí)支護(hù)，全斷面開挖完成后及時(shí)施作仰拱7，然后及時(shí)進(jìn)行二次襯砌8 施工。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道計(jì)算步驟見表5。

表5 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道計(jì)算步驟

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表沉降分析

暗挖區(qū)間隧道的開挖必定會對地表造成沉降變形。根據(jù)工程環(huán)境條件，本暗挖區(qū)間段處于繁華地段，對于地表的沉降控制較為嚴(yán)格。通過對不同區(qū)段的數(shù)值模擬計(jì)算，可以對施工過程導(dǎo)致的土體變形有先驗(yàn)性的認(rèn)識。圖3 和圖4 分別顯示了S6b、S6a 區(qū)段的各個(gè)計(jì)算步驟的土體豎向位移云圖。圖5 和圖6 分別展示了S6b、S6a 區(qū)段隧道開挖過程中的地表沉降分布曲線。

圖3 S6b 區(qū)段豎向位移云圖

圖4 S6a 區(qū)段豎向位移云圖

圖5 S6b 區(qū)段地表沉降曲線

圖6 S6a 區(qū)段地表沉降曲線

由圖3、圖4 可以看出，在隧道開挖過程中，洞周土體均發(fā)生不同程度的變形，隨著施工階段的進(jìn)行，土體位移逐漸增大。由于左側(cè)導(dǎo)坑先行開挖，造成左側(cè)地表率先產(chǎn)生沉降變形。開挖完成以后，最大的沉降變形發(fā)生在隧道中軸線對應(yīng)的地表處。同時(shí)，從圖5、圖6 可以看出，隨著隧道的開挖，地表沉降最大值逐漸增大。施作二襯后，地表沉降最大值及沉降槽范圍均有所減小。隧道開挖完成后，地表橫向沉降槽形狀基本與Peck 曲線相近。S6b 區(qū)段地表最大沉降值為2.1 mm，地表沉降槽影響范圍在隧道軸線20 m 范圍內(nèi)。S6a 區(qū)段地表最大沉降值為1.2 mm，地表沉降槽影響范圍在隧道軸線20 m 范圍內(nèi)。

3.2 拱頂沉降及拱底隆起分析

圖7 和圖8 分別為S6b 及S6a 區(qū)段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向位移圖。不同區(qū)段隧道拱頂沉降及拱底隆起最大值見表6 和表7。從圖7、圖8 可以看出，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行區(qū)間隧道的開挖時(shí)，隧道拱頂及拱底的中間部位產(chǎn)生較為明顯的變形，且拱頂沉降及拱底隆起最大值發(fā)生位置隨施工階段的不同而發(fā)生變化，其中S6b 區(qū)段開挖下導(dǎo)坑對拱頂沉降有一定的抑制作用，原因是臨時(shí)支撐及時(shí)施作起作用。S6a 區(qū)段由于拱頂沉降值相對很小，所以開挖下導(dǎo)坑對拱頂沉降的抑制作用并不明顯。

表6 S6b 區(qū)段拱頂及拱底豎向位移值

表7 S6a 區(qū)段拱頂及拱底豎向位移值

圖7 S6b 區(qū)段拱頂及拱底豎向位移圖

當(dāng)施工完成后，S6b 區(qū)段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的拱頂沉降最大值為6.9 mm，拱底隆起最大值為7.9 mm，均發(fā)生在隧道軸線處。S6a 區(qū)段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的拱頂沉降最大值為2.8 mm，拱底隆起最大值為7.3 mm，同樣發(fā)生在隧道軸線處。

4 結(jié)論

以光谷一路—高新四路排水通道工程為例，運(yùn)用有限元分析軟件PLAXIS，對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道建立有限元模型，重點(diǎn)對隧道開挖引起的地表沉降和拱頂沉降變化規(guī)律進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1）在隧道開挖過程中，洞周土體均發(fā)生不同程度的變形。開挖完成后，地表沉降曲線呈凹槽型，其形狀與Peck 曲線相近，同時(shí)產(chǎn)生地表沉降的最大值在隧道軸線對應(yīng)的地表處。S6b 區(qū)段地表最大沉降值為2.1 mm，地表沉降槽影響范圍在隧道軸線20 m 范圍內(nèi)。S6a 區(qū)段地表最大沉降值為1.2 mm，地表沉降槽影響范圍在隧道軸線20 m 范圍內(nèi)。

2）隧道開挖過程中，開挖側(cè)導(dǎo)坑依次產(chǎn)生較為明顯的變形。開挖完成后，隧道襯砌豎向位移沿軸線對稱，其中S6b、S6a 區(qū)段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的拱頂沉降最大值分別為6.9、2.8 mm，拱底隆起最大值分別為7.9、7.3 mm，且最大值發(fā)生位置均在隧道軸線對應(yīng)的拱頂及拱底處。