行业要闻

 

【摘  要】 对某市地铁砂土地质的隧道，利用有限元软件，建立隧道弹塑性数值模型，研究短台阶法施工过程中地表沉降、拱顶沉降和水平收敛的发展规律，通过和施工实测数据对比，调整施工措施和方法，以确保施工安全性，为同类工程提供参考。

【关键词】 浅埋暗挖; 短台阶隧道; 数值模拟分析

 

      近年来，地铁建设发展非常迅速，施工中受地质条件和施工条件的限制，不得不采用短台阶法施工。短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，能改善初次支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度，短台阶长度小于 5 倍但是大于 1 ～1. 5 倍的洞跨，可以上下断面平行作业。而针对城市地铁短台阶法隧道的施工研究不是很到位，城市地铁隧道施工情况下的地层变形规律及 控 制方法一直是 近些年工 程 界研究的 热点^{［1 －5］}，以某市马蹄形 V 类围岩，两洞净距为 9m 的隧道为例，基于浅埋暗挖隧道施工引起地表沉降的时空效应和沉降机理分析，建立了弹塑性模型，对隧道短台阶法开挖过程进行模拟。通过模拟得出地表沉降、拱顶沉降和洞周收敛的发展规律。

 

      该市地铁隧道区间为单洞单线马蹄形断面，轴线间距 15m，区间隧道覆土厚度为 10 ～12m，区间隧道施工采用矿山法施工。区间基本位于主干道上方，主干道为该市交通干道，交通流量较大，道路两侧建( 构)筑物密集，对地表沉降要求严格，施工监测是隧道施工安全性的重要保证。

      区间施工段位于主干道下方，车流量及人流量都较大; 主干道为双向 6 车道，车流密集，客流量较大，施工中不能中断交通。工程场地范围内主要为道路，两侧为现有企事业单位。

      地铁区间隧道自南向北沿轴线穿越河流冲洪积扇，表层第四系地层广泛发育，沉积韵律较为明显，厚度较大。地层由南向北颗粒逐渐变粗，粘性土层逐渐变薄。地层结构由第四纪全新世人工堆积层、冲洪积相地层、晚更新世冲洪积相地层组成。建筑场地地形较平坦，场地所处地貌单元为河流冲洪积阶地。

 

      以本工程实际材料的力学特性为依据，同时分析考虑材料本构模型的适用范围，Mohr － Coulomb 塑性模型主要适用于在单调荷载下颗粒状材料，能够真实反映土体性状的本构，如土体的屈服特性、剪胀性等，工程实例中的开挖部分是砂土地质，因此本文的计算模型采用采用 Mohr － Coulomb 本构。

      根据地质勘查报告中隧道工程岩体分级参数、现场有关试验结果，对该市地铁浅埋暗挖小净距隧道数值分析，采用表 1 中材料力学参数。

      计算模型主要是为了分析开挖过程中对围岩的扰动影响程度，因扰动围岩而引起的拱顶沉降和洞周水平收敛变化趋势，反映到地表就是地表沉降规律。而隧道在进、出洞口段的埋深相差不大，因此在考虑埋深情况时，根据工程实际情况，选取平 均埋 深为 12m。

      本计算模型选取地铁区间隧道 K0 + 140. 6805 ～K0 + 200. 6805 段，横断面是 X 轴( 水平方向) 和 Z 轴( 高度) ，在纵深方向上( Y 轴) 。模型上边界取地表，下边界沿地表向下取 50m，左、右隧道围岩的水平宽度各取为开挖洞径的 5 倍，其中洞径跨度 B = 6m，洞高6. 5m。该模型左右侧面、前后面和底面为边界条件，侧面限制 X 水平位移，前后面限制 Y 方向的位移，底面限制 Z 方向的位移，地表取为自由边界。

      由于土体的性质如各向异性等因素难以建立和土体相同的模型，只有按照力学分析的各种假定的前提下最大程度接近实际土体模型，本文计算主要假定如下: ①不考虑地下水渗流在隧道开挖中影响，一般情况下，地下水对建筑施工都有很大的影响，特别是隧道开挖等地下工程，本文所讨论的施工模拟是在降水前提下的，因此模型不考虑地下水对施工的影响;②地层应力应变均在弹塑性范围内变化，土体材料在没达到破坏的前提下，对土层的应力应变均在弹塑性范围内变化是合理的。

 

      结果分析时，由于人工边界会对计算结果有影响，选取了离洞口 30m 处的地铁隧道断面作为典型断面，进行结果分析。

      隧道开挖后，X 方向应力最值出现在初期衬砌上。以先行洞( 右洞) 开挖 30m 为研究对象，初支结构受力，最大值达到 29. 40kPa，方向向右，位置在拱腰处，最小值达到 1. 34MPa，方向向左，位置在初支拱顶部位，此时根据现场施工状况应采取措施，防止水平收敛过大，要在拱腰部位斜向下 45°方向打设 2. 5m 的锁脚锚杆。Z 方向受力状况，拱顶和仰拱部位出现大的应力，最大值达到 13. 54kPa，向上隆起，拱腰某些部位出现大的应力集中，应力值达到 3. 924MPa，需要在拱腰部位采取加强措施，进行注浆加固，主要是采取注浆 1: 1( 水泥 － 水玻璃浆液) 和设置锚杆等措施加固，对围岩的加固效果，模型将以提高围岩的参数来实现，计算中对围岩提高等级。初期衬砌水平、竖向应力云图，见图 1、图 2。

    围岩受力和位移沉降分析，最大的水平应力在杂填土层，水平应力值为 3kPa，方向向右; 隧道围岩部分最大水平应力为 23. 75kPa，方向向左，出现在拱顶部位，拱腰部位的最大水平应力为 157. 5kPa，受力的最终结果将体现在水平收敛上，将会在拱腰部位形成气泡位移，由以上衬砌受力可知，采取相应的措施，来稳固土体的稳定性，水平向应力云图见图 3。隧道开挖后，实质是地应力场的重新分布，开挖后围岩的竖向应力最大值为出现在地表和仰拱底部，最大值为1. 172kPa，方向向下，此时仰拱将会下沉，为防止地表合拱顶沉降过大，将会在隧道开挖前对土体进行超前加固，和超前小导管注浆等措施，来满足施工要求，竖向应力云图见图 4。

      取 1 个掌子面的地表沉降、拱顶沉降和水平收敛为研究对象，监测规范要求地表沉降由掌子面位置向小里程方向延长 50m，大里程方向延长 30m，下沉为( + ) ，上升为( － ) 。拱顶沉降要求由掌子面位置向小里程方向延长 50m，各测点高程为相对高程，拱顶下沉为( － ) ，上升为( + ) ; 水平收敛要求水平收敛有掌子面位置向小里程方向延长 50m，向隧道内变形为( － ) ，反之为( + ) ; 地表沉降要求地表沉降由掌子面位置向小里程方向延长50m，大里程方向延长30m^{［6 －8］}。地表沉降、拱顶沉降和水平收敛是评价隧道开挖稳定性的三个指标，其发展规律和趋势，直接影响隧道施工的安全性，地表沉降和拱顶沉降互补，如果拱顶沉降在浅埋暗挖隧道中发展过大，那么会反映到地表，引起大的地表沉降，水平收敛是隧道稳定性评判另一标准，是对隧道稳定性最直接的反应。有现场实测数据和模型机算预测值作对比，见图 5 ～ 图7。地表沉降曲线和拱顶沉降曲线在隧道开挖后 30d左右时间沉降缓和，实测和预测比较接近，说明地表沉降在开挖后最初的几天沉降是最大的，需要坚持监测，以便指导施工，采取措施。水平收敛在开挖 15d 左右的时间收敛基本稳定，预测和实测发展趋势接近。

      通过模拟结果分析，可以得出隧道开挖过程中，地表沉降、拱顶沉降和水平收敛的发展趋势，为现场施工提前加固围岩和采取相关措施依据。通过计算后的位移应力云图能直观的观测到隧道施工中的最大最小位移和应力，而实际工程中，这种方法的应用将会为施工安全性超前预测提供指导，然而有限元模拟计算的数据仅仅只能作为一个定量指标和分析依据，不能完全依赖于模型计算，还要结合实际工程，计算模型中的假设条件是为了计算方便，只用于工程实践作参考。

 

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