摘　要:依托重庆地铁6号线一期工程,应用有限元分析软件进行数值模拟计算,计算了不同围岩级别、不同近接方式、不同双洞净距情况下的围岩应力变化值,以此为依据划定不同的影响范围,分析了影响范围的发展趋势,为类似工程实例提供借鉴和参考依据.

关键词:地铁隧道;影响分区;近接施工;数值模拟

 

      专家们曾预言,21世纪将是开发和利用地下空间的世纪.随着我国交通事业的蓬勃发展,地下空间被认为是尚未充分利用和开发的宝贵自然资源,尤其是近些年城市化进程的加剧,引发了严重地交通拥挤问题.地铁的施工及建设在这样的大背景下发展迅速,因为它是一种有效缓解城市地面交通拥挤的方式,同时可提高人们的生活质量和效率.TBM开挖方式由于其高效、安全等一系列优点,在地铁施工中深得青睐.鉴于城市地铁工程的不断发展及TBM各种优点,深入系统地研究敞开式TBM技术,对于充分利用地下空间,实现城市和谐可持续发展,具有十分重要的理论意义和实用价值.本文就重庆地铁6号线施工中TBM开挖引起的不同级别围岩等情况下的围岩应力变化的影响范围进行计算分析.

 

      重庆市轨道交通科研试验工点6号线一期工程区间(以下简称一期工程)长度20.590 km,其中地下段长度11.686 km(TBM施工段左线长7.921km,右线长7.781 km),占区间长度的75.7%.一期工程TBM试验段区间隧道穿越岩层主要为:砂岩、砂质泥岩、泥质砂岩及局部人工填土夹杂粉质黏土.TBM施工段内主要以级围岩为主,占TBM施工段98%;（九）级围岩占TBM施工段2%。

 

      计算采用“地层-结构”模式,弹塑性平面应变模型,有限元分析所采用的计算模型如图1所示.根据一般力学理论,隧道模型计算边界按照隧道施工对围岩的影响可以忽略来选取,模型左右边界到隧道边距离30 m,下边界取到隧道底部边界的距离40m,上边界取为距隧道边30 m.计算模型中,围岩采用Plane 42单元,初期支护采用beam3单元.模型边界条件如下:顶面为自由表面,两边为横向约束,底面为固定约束.计算中岩土材料的非线性按DP材料处理,塑性准则使用Drucker-Prager屈服准则.

      计算时围岩和衬砌结构的物理力学指标根据《重庆市轨道交通6号线工程地质勘察报告(详勘)》和《铁路隧道设计规范》选取,弹性模量考虑岩体完整性系数的影响.具体参数如表1所示.

      壁后注浆层环状假设:由于在土体渗透性、疏密度、地下水、注浆压力等因素影响下的注浆层厚度和形状较难量化,故实际的二维模拟中假设壁后的注浆层为一均质、等厚的弹性圆环,其力学参数结合工程实际按照将围岩参数提高一个等级来确定.

      计算荷载主要考虑地层自重应力场和支护结构的重力.

 

      考虑到TBM机通过几种不同围岩情况,实际中又有不同的近接方式,以及不同的近接距离,为了使计算更具有一般性,结合此工程的实际情况,全面考虑 、 、（九）级围岩情况水平双洞和垂直双洞,双洞净距分别为2,5,10,15 m,共24种工况.

      计算分析中通过对比开挖前施加自重荷载时产生的初始应力(第一主应力和第三主应力)与双洞均完成开挖且TBM通过后形成的围岩应力(第一主应力和第三主应力)来划定影响范围.以前、后应力值的变化率为5%作为判断一般影响范围的标准,以前、后应力值的变化率为25%作为判断强影响范围的标准.当开挖前后的应力值变化率小于5%时,认为TBM施工对该区域的影响可忽略(无影响);当开挖前后的应力值变化率介于小于5%和25%之间时,认为该区域位于TBM施工弱影响区;当开挖前后的应力值变化率大于25%时,认为该区域位于TBM施工强影响区.同时结合开挖前后的洞周位移变形进行修正,最终确定最为合理的扰动影响范围.

      求解过程按照实际开挖过程,即初始应力求解→左洞开挖→左洞初期支护→右洞开挖→右洞初期支护过程来实现.求解后,提取计算应力值,分别比较各个位置处的应力变化,计算应力变化率,利用surfer将应力变化的百分比描绘出等值线图,确定TBM施工影响范围,其中（九）级围岩的等值线及影响范围如图2~4所示.

      比较图2~4的变化等值线,在同一种围岩级别下,随着双洞间距的增大,水平方向上影响范围有逐渐变大的趋势,这是由于两洞之间均处于强影响区范围,而两洞外侧的影响范围基本不变,深度方向上影响不明显.

      根据所有工况的计算结果,分别作出不同围岩级别情况下的最大强影响范围的变化规律见图5~6.

      根据图5和图6的变化趋势可分析得:同一围岩级别情况下,随着双洞水平与垂直净距的增大,影响范围也呈增大趋势,但是其斜率减小;同一双洞开挖位置处, 级围岩产生的应力变化范围最大, 级围岩次之,（九）级围岩为最小.

 

      1)根据影响变化范围的等值线图,强影响区范围根据围岩级别及开挖情况各有不同,一般分别在2倍到3倍洞径左右,其中,主要是两洞之间的强影响区范围随间距增大而增大.

      2)等值线图中主要包括强影响区域、弱影响区域和无影响区域,强影响区域主要分布在洞周2倍洞径以内位置处,两洞间距超出强影响区域后出现弱影响区,弱影响区域在图中占大部分区域,主要分布在2~6倍洞径位置.

      3)计算确定的不同围岩情况下开挖影响分区比理论给定值相对要小一些,施工中还应加强监控量测工作.