王柯， 黃成， 蒲萬旭， 李為騰*， 李永順， 李洋

(1.山東科技大學， 山東省土木工程防災減災重點實驗室， 青島 266590； 2.青島市西海岸軌道交通有限公司， 青島 266000； 3.中建八局軌道交通建設有限公司， 南京 210046)

隨著地下軌道交通事業(yè)的發(fā)展，隧道工程建設數(shù)量日益增多且工況越加豐富、復雜[1-2]。地鐵暗挖車站因其功能要求，一般屬于淺埋、大跨隧道范疇。有關學者在此方面做了大量研究，蔣亮等[3]采用數(shù)值軟件模擬臺階法施工，分析3種工況下淺埋隧道開挖引起的拱頂沉降和地表沉降的異同；徐劍波等[4]以沙子塘淺埋偏壓隧道為依托，結合現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬等技術手段，詳細分析了典型監(jiān)測斷面圍巖與支護結構相互作用關系；朱苦竹等[5]采用FLAC3D研究了分別使用雙側壁導坑法、交叉中隔墻法和三臺階七步法的淺埋軟弱圍巖大跨度隧道開挖過程，以確定最優(yōu)的開挖工法；孔超等[6]以貴陽地鐵某單拱大跨隧道為背景，通過開展模型試驗，結合有限元極限分析法，對比分析不同工況施工過程中圍巖變形規(guī)律以及拱蓋結構極限承載能力。部分城市如青島、大連、重慶等為典型的“上軟下硬”地層，其地鐵車站因此具有淺埋、硬巖、大跨的鮮明特點。鄭世杰等[7]通過采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結合的方法對青島地區(qū)“上軟下硬”復合地層雙線平行隧道圍巖變形特征和地層移動規(guī)律進行了研究；賈寶新[8]以大連地鐵5號線地區(qū)盾構施工為背景，研究了在穿越上軟下硬地層時盾構施工引起的地表沉降；Zhang等[9]通過數(shù)值分析推導了大斷面隧道開挖圍巖壓力的計算公式，并將該公式應用于重慶某大斷面地鐵車站圍巖壓力的計算。

以上研究大多數(shù)是對淺埋隧道、大跨隧道、軟巖隧道及硬巖隧道的沉降規(guī)律、圍巖壓力、施工工法等探究，但對同時兼具淺埋、硬巖、大跨特點的隧道施工過程力學分析少有人研究。現(xiàn)以青島地鐵暗挖車站淺埋硬巖大跨隧道為工程背景，在現(xiàn)場監(jiān)測基礎上采用三維數(shù)值模擬，研究淺埋硬巖大跨隧道施工過程力學特征，以期為類似工程設計提供依據(jù)。

1 工程背景

青島地鐵6號線海港路站為暗挖島式車站，狀況如圖1所示。從圖1(b)可知，地層從上至下依次為素填土層、強、中、微風化花崗巖層，圍巖等級為Ⅲ2～ⅠⅤ2級，該車站地下水類型主要為基巖裂隙水，地下水水量等級貧。車站拱部開挖跨度約22.4 m，高度約7.6 m，矢跨比約為0.34，主體下斷面開挖寬度21.1 m，高約10.2 m。車站均位于微風化巖層內，拱頂埋深約14.8～19.9 m，主體結構型式為單拱大跨復合式襯砌結構。

圖1 車站概況Fig.1 Station overview

車站施工工法采用初支拱蓋法[10-11]，通過單層(雙層)初期支護形成拱蓋結構體系，在其保護下開挖下部巖體，開挖完成后再自下而上順筑二襯結構。車站施工順序如圖1(c)所示，車站拱部中間分兩個臺階開挖，先開挖隧道拱部中間上臺階1部，并施作該部初支拱蓋11；與1部相差15.2 m開挖隧道拱部左側2部，在拱腳位置施作鎖腳錨桿12，接長拱頂初支拱蓋11，與2部相差15.2 m開挖右側3部，重復上述工序，完成初支拱蓋11施工；在初支拱蓋11的保護下，拉槽開挖車站下部巖體，分左、中、右三部分和上、中、下三臺階共9部開挖，并施作相應段的邊墻初期支護13，直到開挖到底；自下而上順筑車站二襯及主體結構，完成車站施工。車站主體結構支護如表1所示。

2 數(shù)值計算

2.1 模型及參數(shù)

根據(jù)地質勘察報告結果，取隧道及四倍跨度的圍巖作分析對象，模型尺寸為100 m×75.9 m×45.6 m(寬×高×厚)，對Ⅳ2級圍巖地層進行簡化，進行網(wǎng)格剖分如圖2(a)所示，單元數(shù)為668 513個，節(jié)點數(shù)為640 434個。模型的法向位移在前后面和左右面均受約束，底面全位移受約束，上面位移不受約束。圍巖采用摩爾-庫倫理想彈塑性模型，圍巖物理力學參數(shù)如表2所示。采用beam單元模擬格柵鋼架，采用cable單元模擬預應力錨桿，采用實體單元模擬噴射混凝土，厚度為200 mm，考慮鋼筋網(wǎng)對噴射混凝土的增強效應[12]，斷面支護體系見圖2(b)，支護結構力學參數(shù)如表3所示。為記錄隧道全過程施工，選取沿隧道縱向16.4 m處作為監(jiān)測斷面并布置數(shù)據(jù)監(jiān)測點，以此來分析隧道施工過程中圍巖應力和位移的變化規(guī)律[13]。

圖2 數(shù)值計算模型Fig.2 Numerical calculation model

表1 隧道支護結構參數(shù)表Table 1 Parameters of tunnel support structure

表2 Ⅳ2級圍巖物理力學參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of grade Ⅳ2 surrounding rock

2.2 模擬過程

隧道模型開挖方式和支護方式與現(xiàn)場施工保持一致。隧道模型每步開挖進尺0.8 m，并安裝預應力錨桿、立架、噴混，隧道模型完全貫通共需288個開挖步序，具體開挖順序詳見1節(jié)。隧道代表性施工步序如表4所示。

3 數(shù)值模擬結果與分析

3.1 圍巖主應力

圖3為監(jiān)測斷面各測點[圖2(b)]圍巖主壓力隨隧道開挖過程變化曲線，下半部分標識了隧道各部開挖步序。

如圖3所示，隨著①部導洞掘進逐步靠近監(jiān)測斷面，圍巖荷載重分布使得拱頂測點主應力明顯增加，其他測點也受影響主應力逐步增加。①部導洞開挖至監(jiān)測斷面時，拱頂測點大、小主應力達到最大值0.72、0.28 MP；斷面開挖后，荷載瞬間釋放，大、小主應力減少至0.47、0.06 MP；經(jīng)過斷面繼續(xù)向前推進后，大、小主應力緩慢增加。拱腰測點主應力整體變化規(guī)律與拱頂相似。隧道拱部全貫通后，斷面拱部各測點主應力無明顯變化。

監(jiān)測斷面⑤a部開挖前，受其他導洞開挖影響邊墻測點小主應力已緩慢減少，而大主應力快速增加高于初始值。⑤a部開挖后，邊墻測點大、小主應力驟減為1.43、0.12 MPa。當⑦a和⑨a部導洞開挖先后通過斷面時均會引起邊墻測點大主應力顯著減小。

表3 支護結構參數(shù)Table 3 Support structure parameters

表4 隧道代表性施工步序表Table 4 Typical construction steps of tunnel

圖3 隧道開挖過程監(jiān)測斷面各部主應力變化歷程Fig.3 Variation history of principal stress at each part of monitoring section during tunnel excavatio

通過以上分析可得：監(jiān)測斷面各測點圍巖主應力在開挖過程中表現(xiàn)出先增加超過初始應力達到應力峰值，后釋放減小趨于平穩(wěn)。拱部圍巖主應力變化過程受①部導洞開挖影響顯著。②、③部開挖對拱頂圍巖主應力影響較低。

3.2 圍巖強度儲備

為了更直觀地分析圍巖在不同時刻的應力狀態(tài)，判別圍巖是否達到破壞極限[14-15]，引入圍巖強度儲備K，表達式為

(1)

K越大圍巖強度儲備越高，當K=1時圍巖處于極限狀態(tài)。圖5為監(jiān)測斷面各測點圍巖強度儲備K隨隧道開挖過程變化曲線，圖中下半部分標識了隧道各部開挖步序。

如圖4所示，拱部各測點K在開挖過程中表現(xiàn)出先逐步下降達到最小值，各部開挖并施加初期支護后上升，最后逐漸降低趨于平穩(wěn)。受①部導洞開挖影響，各測點圍巖大主應力增幅較大、小主應力增幅較小，圍巖受力狀態(tài)變差使得K值下降，且越靠近監(jiān)測斷面越加明顯，拱頂尤其突出。斷面①部開挖后，開挖面附近圍巖由雙軸受力轉化為近乎單軸受力[16]，拱頂K下降到最小值1.55。施加支護結構后，拱頂圍巖大、小主應力逐步接近，圍巖又轉變?yōu)殡p軸受力，K上升明顯并在開挖后第5步達到峰值。導洞繼續(xù)推進后，拱頂K逐步下降趨于穩(wěn)定。拱腰測點K變化規(guī)律與拱頂相似。隧道拱部全貫通后，拱部各測點K再無明顯變化。

與拱部測點變化規(guī)律不同，⑤a部開挖、施加初期支護后，邊墻測點K下降逼近極限狀態(tài)，后緩慢增加趨于平穩(wěn)。由于邊墻只有少數(shù)預應力錨桿和噴射混凝土支護，圍巖的三向應力狀態(tài)未得到足夠補償，導致邊墻圍巖大、小主應力相差較大，K低于其他部位，需加強邊墻支護。

由圖5可知，監(jiān)測斷面①部開挖會引起開挖面附近圍巖K顯著降低，但未有塑性區(qū)產生；②部開挖后，右拱腰處產生塑性區(qū)，拱腰徑向圍巖K減小，拱頂K高于其他部位；③部開挖后未產生塑性區(qū)，但拱腰徑向圍巖K繼續(xù)減小且范圍逐步增大；⑤a部開挖后，右拱腳處出現(xiàn)塑性區(qū)，此刻邊墻位置K已接近極限。隧道全部貫通后，拱頂部位K有所減小，拱腰、邊墻部位K有所增大但仍低于拱頂。邊墻部位K接近極限，影響深度約為8.9 m。

3.3 隧道位移

圖6上半部分為監(jiān)測斷面沉降和水平位移隨隧道開挖過程變化曲線，下半部分標識了隧道各部開挖步序。

監(jiān)測斷面拱頂沉降累積過程大致分為3個階段。①部開挖前，拱頂沉降為增長速率逐步減小的凹曲線；①部開挖后，增長速率開始增大，沉降曲線出現(xiàn)拐點，此時拱頂沉降為4.42 mm占最終值的54.4%；拱部全貫通后，拱頂沉降為8.31 mm占最終值的98.3%，拱頂沉降最終穩(wěn)定到8.45 mm。

圖4 隧道開挖過程監(jiān)測斷面各部圍巖強度儲備變化Fig.4 Strength reserve change of surrounding rock at each monitoring section during tunnel excavation

圖5 監(jiān)測斷面各部塑性區(qū)、圍巖強度儲備K云圖Fig.5 Cloud chart of plastic zone and surrounding rock strength reserve K at each part of the monitoring section

圖6 隧道開挖過程斷面各部位移模擬數(shù)據(jù)Fig.6 Displacement simulation data of each section during tunnel excavation

地表沉降主要受隧道拱部開挖影響，整體表現(xiàn)為一條增長速率減少的凹曲線。①部導洞第1次開挖后，地表沉降增至1.55 mm；監(jiān)測斷面①部開挖后，地表沉降為4.03 mm占最終值的57%；拱部全貫通后，地表沉降為6.60 mm占最終值的93.2%，地表沉降最終穩(wěn)定至7.07 mm。

邊墻水平位移變化幅度不大。斷面⑤a部開挖后，水平位移增加至0.31 mm，又經(jīng)過兩次階梯型增加最終穩(wěn)定在1.70 mm。

拱頂、地表沉降與凈空收斂的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7所示，隨時間推移，現(xiàn)場沉降、凈空收斂與模擬所得曲線趨勢大致相似，位移增長速率發(fā)展呈“迅速→平緩”變化特征。由于沉降影響至地表，第80天后，現(xiàn)場隧道拱部至地表呈整體沉降，已充分變形，變化趨勢表現(xiàn)一致。監(jiān)測與模擬數(shù)據(jù)相差不大，數(shù)值與規(guī)律比較貼近，拱部開挖完后現(xiàn)場監(jiān)測和模擬所得曲線均會趨于平穩(wěn)，后續(xù)開挖步序影響較低。

圖7 現(xiàn)場監(jiān)測位移數(shù)據(jù)Fig.7 Displacement data monitored on site

隧道施工過程中圍巖壓力的釋放規(guī)律關系到圍巖的穩(wěn)定性，也決定了隧道位移變化過程的特點。如表5所示，拱頂圍巖強度儲備最高，其次是拱腰，邊墻最低并且有較多塑性區(qū)。隧道①部導洞開挖過程引起的拱頂沉降量占比最大；監(jiān)測斷面②、③部擴挖對拱頂沉降影響依次減弱；拱部全貫通后后續(xù)開挖基本無影響；地表沉降亦是如此。對于大跨淺埋硬巖隧道，沉降影響至地表，但由于硬巖地層圍巖強度高而幾乎沒有產生塑性區(qū)，錨噴格柵初期支護可使隧道達到較高穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 支護結構受力

圖8為暗挖車站所使用監(jiān)測儀器及車站現(xiàn)場施工。取監(jiān)測斷面拱頂拱架和錨桿進行掘進過程中受力分析。如圖9所示，數(shù)值模擬所得的拱架軸力曲線受各部開挖影響明顯，各部開挖通過監(jiān)測斷面并施加支護后，拱架軸力上升明顯，錨桿軸力無較大變化。拱架軸力穩(wěn)定在30.74 kN，錨桿軸力穩(wěn)定在102.17 kN。結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，兩者拱架、錨桿軸力曲線變化趨勢大致相同，各部開挖通過監(jiān)測斷面時均會造成拱架軸力發(fā)生突變，但對錨桿軸力無明顯影響，現(xiàn)場圍巖側和臨空側拱架軸力分別為12.55、17.92 kN，錨桿軸力為108.22 kN?？傮w上看，兩者拱架軸力在同一數(shù)量級，錨桿軸力相差較小，拱架受力小，錨桿預應力損失小。斷面各部開挖時均會造成拱架軸力發(fā)生增加，但增量隨掘進過程逐漸降低。

表5 監(jiān)測斷面各部圍巖強度儲備、塑性區(qū)、沉降對比Table 5 Comparison of strength reserve, plastic zone and settlement of surrounding rock at each monitored section

圖8 現(xiàn)場監(jiān)測儀器及車站施工圖Fig.8 Site monitoring instrument diagram and station construction drawing

圖9 數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測支護結構受力圖Fig.9 stress diagram of support structure through numerical simulation and field monitoring

4 結論

(1)監(jiān)測斷面各測點圍巖主應力在開挖過程中表現(xiàn)出先增加超過初始應力達到應力峰值，后釋放減小趨于平穩(wěn)。①部導洞開挖造成的圍巖主應力變化最為明顯，使開挖面附近圍巖強度儲備顯著降低。②、③部導洞開挖對拱頂主應力擾動較小。

(2)①部導洞引起拱頂及地表沉降量占最終值的54%和56%，②、③部導洞開挖對拱頂及地表沉降影響依次減弱，后續(xù)施工影響更小。從總體過程來看，①部導洞開挖對隧道沉降控制最為關鍵。

(3)隧道全貫通后，拱頂圍巖強度儲備為3.1，拱腰為1.78，邊墻為1.1接近極限狀態(tài)。從隧道各部位圍巖強度儲備角度上看，邊墻最為關鍵需支護。

(4)地鐵暗挖車站雖跨度大、埋深淺，但由于硬巖地層圍巖強度高而幾乎沒有產生塑性區(qū)，錨噴格柵初期支護即可使隧道達到較高的穩(wěn)定狀態(tài)。