近接隧道施工工序优化的数值模拟研究

近接隧道施工工序优化的数值模拟研究

刘传利　漆泰岳　谭代明　琚国全

（西南交通大学土木学院　成都　610031）

摘　要　本文结合广州地铁6号线昌沙区间隧道、浅埋隧道工程地质和支护设计特点，应用大型有限差分软件FLAC-3D模拟了浅埋近接隧道施工的地表沉降、初期支护受力和塑性区的发展状况。通过有无仰拱两种工况数值模拟结果对比，并结合现场实测数据，表明在近接隧道施工中应选择有仰拱的台阶法施工。

关键词　浅埋隧道近接施工地表沉降塑性区

1　工程介绍

广州地铁6号线昌沙区间隧道左线往昌岗中路方向已施工至里程ZDK11＋448．5，累计开挖初支68 m。其中ZDK11＋470～＋451地段，将经过附近建筑物宏基广场的地下室，此19 m重叠B为桩基托换地段。设计共设3根长2 m，宽0．8 m的托换梁，其余13 m为托换板。目前实际采用的型钢间距为0．6m，只完成初喷混凝土厚0．3m。ZDK11＋516．5～＋498地段隧道实际穿过地层为微风化和中风化粉沙质泥岩地层。

区间隧道上方依次为微风化粉沙质泥岩、中风化粉沙质泥岩、强风化粉沙质泥岩、全风化粉沙质泥岩、残积硬塑状粉质粘土、粉质粘土层和人工填土层，总体属Ⅳ级围岩。

2　计算情况

2．1　施工过程模拟

隧道处于软弱围岩中，用摩尔库仑材料模拟。研究断面在计算时，约束左右边界的水平位移，约束下边界的竖向位移，上边界为自由边界。上台阶法开挖步长为1 m，轴向取25个开挖步长，上台阶（P1）开挖高度为4 m，采用掘进机进行开挖，下台阶（P2）开挖高度2．77 m。

图1　上下台阶开挖轮廓

为了更真实地模拟施工过程，首先进行区间左隧道的施工模拟，采用上下台阶分步开挖法，然后施作初衬、桩基托换和二衬。本次施工模拟的重点在区间右线隧道的施工对地表沉降的影响和对左线的影响。

右线隧道的施工分两种工况模拟：

①上下台阶开挖，中间不设置临时仰拱。

②上下台阶开挖，上台阶设置临时仰拱，两种工法开挖顺序如图1所示。

通过上述两种工况的比选，重点研究右线隧道采用不同的支护方式对隧道稳定性、地表沉降及其左线隧道的影响。

2．2　物理力学指标

围岩及支护参数见表1。

表1　围岩及支护参数表

顶部围岩采取超前支护措施；加固地层，采用小导管注浆加固，小导管采用φ42 mm、长5 m、间距300 mm；初期支护采用锚网和喷射混凝土，锚杆长度4 m、φ20，梅花形布置；托换结构采用C30防水钢筋混凝土，抗渗标号不小于S10，厚800 mm；二次衬砌采用C30防水钢筋混凝土，抗渗标号不小于S10，厚300 mm。

在模型计算中，采用Shell单元模拟喷射混凝土，采用Cable单元模拟锚杆，采用Pile单元模拟混凝土桩。

2．3　计算结果分析

2．3．1　工法1计算结果分析

由图2知地表沉降最大值为18．1 mm。由图3知施作二衬后的最大负弯矩为11．634 kN·m，发生在左拱肩处；最大正弯矩为12．053 kN·m，发生在右拱肩处。

图2　地表沉降曲线

图3　初期支护弯矩

2．3．2　工法2计算结果分析

工法2的分析和工法1类似，施作二衬和拆除临时仰拱后地表沉降最大值为11．26 mm。施做二衬后的最大负弯矩为13．430 kN·m，发生在右拱肩底部；最大正弯矩为16．421 kN·m，发生在左拱肩底部。

两种工法施作二衬后，地表沉降差值为6．84 mm。

2．3．3　各工法施工过程中掌子面塑性区发展状况

从图4和图5可看出：有、无临时仰拱时，掌子面前方会出现4 m深度的剪切塑性破坏区，说明掌子面前方会发生剪切塑性破坏区；虽然不会发生滑移破坏，但掌子面前方的地层已经进入到不稳定状态，需要进行超前预加固，否则不能确保掌子面的稳定性。

图4　无仰拱掌子面前方剪切塑性区

图5　有仰拱掌子面前方剪切塑性区

图6　有仰拱台阶法塑性区

2．3．4　施工完成时的塑性区

工法1和工法2两种工法的塑性区范围差别不大，主要受集中荷载影响，且塑性区主要集中在隧道拱肩周围和隧道上方的地层中，且在两隧道的拱肩处塑性区贯通。表明在实际施工过程中，要特别注意控制隧道拱顶的变形，在两隧道的拱肩处要加强支护，以减小隧道上方地层的塑性破坏范围，进而达到控制地表沉降变形的目的。

2．3．5　计算结果和现场实测结果比较

现场量测的地表总沉降量为13．54 mm，由计算得出的最终地表沉降量为11．26 mm，与实测值吻合比较好。说明计算模型能够很好地反映现场的实际情况，这也是本次对现场施工模拟的必要性。

3　结　论

通过采用各向同性弹性材料模型对广州地铁6号线昌沙区间施工进行数值模拟分析和基于现场实测资料的研究分析得到如下结论：

①在近接隧道短台阶法施工中，地表沉降主要发生在上台阶开挖的过程中；设置临时仰拱可降低隧道地表沉降和隧道周围的地层位移。

②两种工法的内力有明显差别，工法2要优于工法1。因此，在近接隧道的台阶法施工中，设置仰拱后可明显地提高隧道衬砌结构的承载力。

③隧道的开挖过程中，隧道结构的拱肩及拱腰处承受了较大的应力，在隧道的拱角处会出现较为明显的应力集中现象。

④上述两种工法威胁隧道围岩稳定性的关键工序是：必须进行掌子面超前预加固，加固深度必须大于6 m，重点超前加固上台阶的中部；必须在两隧道近接处加强支护。

⑤根据以上数值模拟计算结果，建议采取工法2（即必须铺设临时仰拱）。实际施工中也是采用此施工方法。

参考文献

［1］关宝树．隧道工程施工要点集［M］．北京：人民交通出版社，2002．

［2］潘昌实．隧道力学数值方法［M］．北京：中国铁道出版社，1995．

［3］傅德明．上海地铁区间隧道土压平衡盾构施工及地面沉降控制［J］．铁道工程学报专刊，1994．