劉玉發(fā)，鄒玉強(qiáng)

（1.中國葛洲壩集團(tuán)市政工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.武漢中隧軌道交通工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430080）

1 工程概況

1.1 工程簡介

起新1#聯(lián)絡(luò)通道位于武漢市洪山區(qū)文化大道西側(cè)，距離文化大道約40.22m，結(jié)構(gòu)頂面距地面埋深約15m，地下無管線。根據(jù)其斷面大小、埋深、地質(zhì)、地下水情況及周邊環(huán)境條件等因素確定采用噴錨暗挖法（礦山法）施工。開挖過程遵循“管超前，嚴(yán)注漿、短開挖，強(qiáng)支護(hù)、快封閉，勤量測”的原則，在初期支護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果基本穩(wěn)定后，及時(shí)施作防水層和二次襯砌。為保證開挖施工安全，減小隧道及地面沉降，開挖前對(duì)場內(nèi)土層采用三軸攪拌樁+洞內(nèi)補(bǔ)充注漿加固。布置三軸攪拌樁Φ850@600共442根，采用P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.6～0.8，加固體28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥1.0MPa，抗?jié)B系數(shù)＜1.0×10-7cm/s。

1.2 支護(hù)參數(shù)

圖1 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

1.3 工程地質(zhì)情況

起新1#聯(lián)絡(luò)通道主要位于6-1粉質(zhì)黏土中，下伏礫卵石層及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，上覆3-2粉質(zhì)黏土、3-1黏土、1-1雜填土。場地位置如圖2所示，土層參數(shù)參考本工程地質(zhì)勘查報(bào)告及本地區(qū)類似工程反饋的巖土物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

2 有限元模擬計(jì)算

2.1 數(shù)值模型建立

圖2 場地工程地質(zhì)條件

表1 場地巖土物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬計(jì)算采用Midas-GTS巖土有限元軟件。建模時(shí)，土層采用平面應(yīng)變單元模擬，本構(gòu)采用修正摩爾庫倫本構(gòu)；初支與二襯結(jié)構(gòu)均采用1D梁單元模擬（在第一次析取梁單元生成初支結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，再次析取梁單元生成二襯結(jié)構(gòu)，從而保證二者計(jì)算節(jié)點(diǎn)的耦合），場內(nèi)地面超載20kPa；考慮到模型邊界范圍對(duì)計(jì)算精度的影響，本次模型邊界范圍采用開挖尺寸的3～5倍。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

（1）工況分析。為驗(yàn)證在噴錨暗挖法中在開挖前對(duì)土體預(yù)加固預(yù)處理的重要性，研究分析了以下兩種工況下的變形。①對(duì)比分析了土層在未加固情況下與在三軸攪拌及洞內(nèi)補(bǔ)充注漿加固后的開挖變形值，如圖3所示。計(jì)算表明：土層未加固的變形值整體上是加固后變形值的2倍左右，同時(shí)開挖完成后二襯結(jié)構(gòu)變形大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)范所要求的變形控制標(biāo)準(zhǔn)。②在三軸攪拌加固的情況下，對(duì)比分析了洞內(nèi)補(bǔ)充注漿加固與否后的初支與二襯變形值，如圖4、圖5所示。計(jì)算結(jié)果表明：第一，洞內(nèi)超前小導(dǎo)管補(bǔ)充注漿與否，在拱頂與側(cè)墻連接處均出現(xiàn)了應(yīng)力集中，在實(shí)際施工過程中，采用鎖腳錨桿對(duì)該部分進(jìn)行加固處理；第二，超前小導(dǎo)管注漿與否對(duì)拱頂?shù)挠绊懸h(yuǎn)大于對(duì)拱腰的影響，超前小導(dǎo)管注漿可以減少掌子面土層的受力，把一定范圍內(nèi)土層結(jié)成整體，從而提高開挖上部土層的剛度和強(qiáng)度，保證隧道開挖穩(wěn)定。

圖3 土體開挖變形對(duì)比分析

圖4 初支變形值（在三軸加固情況下）

圖5 二襯變形值（在三軸加固情況下）

通過以上兩種工況下模擬計(jì)算的變形對(duì)比，體現(xiàn)了在噴錨暗挖法中對(duì)土體預(yù)加固預(yù)處理的重要性。

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析。通過計(jì)算分析確定哪些部位的變形量大，在實(shí)際施工中，重點(diǎn)關(guān)注這些部位，為實(shí)際施工提供指導(dǎo)。鑒于地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)主要為受彎構(gòu)件，土層加固與洞內(nèi)補(bǔ)充注漿下初支與二襯彎矩圖如圖6、圖7所示。

圖6 初支彎矩圖

圖7 二襯彎矩圖

3 監(jiān)測方案及數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測方案與控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)隧道監(jiān)測點(diǎn)位布置方案及相關(guān)規(guī)范，其監(jiān)測點(diǎn)布置如圖8所示。監(jiān)測項(xiàng)目報(bào)警值一般由累計(jì)值和變化速率兩方面控制，監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

圖8 起新1#聯(lián)絡(luò)通道斷面測點(diǎn)布置示意圖

表2 施工位移監(jiān)控量測值控制標(biāo)準(zhǔn)

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

在隧道開挖過程中，地表變形量、開挖斷面拱頂及側(cè)向水平變形量是反映隧道開挖安全與否最直觀可靠的表現(xiàn)，是隧道開挖監(jiān)測中的關(guān)鍵性指標(biāo)。在起新1#聯(lián)絡(luò)通道全過程施工中，地表變形量、開挖斷面拱頂變形量及側(cè)向水平變形量每天實(shí)際監(jiān)測值和累計(jì)變形監(jiān)測值如圖9、圖10所示。

圖9 每天實(shí)際監(jiān)測值

圖10 累計(jì)變形監(jiān)測值

從圖9和圖10中可以看出：隨著土方的開挖，上述三種變形值是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程?？紤]到隧道開挖初期支護(hù)是一個(gè)隨挖隨支的過程，開挖至第33d，該聯(lián)絡(luò)通道全斷面開挖貫通，在還未施作二襯結(jié)構(gòu)的情況下，此時(shí)上述三種變形值達(dá)到最大，并且在停止開挖之后，仍呈現(xiàn)慢性增大的趨勢(shì)，即時(shí)空效應(yīng)。在第44d二襯結(jié)構(gòu)施工完成之后，伴隨著二襯結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度的上升，變形值越來越小，并基本結(jié)束。

4 模擬與實(shí)測結(jié)果對(duì)比分析

在主要工序下該聯(lián)絡(luò)通道有限元模擬計(jì)算值與實(shí)際累計(jì)變形監(jiān)測值的對(duì)比如圖11所示。由于建模時(shí)二襯結(jié)構(gòu)單元是在初支單元的基礎(chǔ)上析取得到，未考慮二者之間的相互滑移，因此造成了隧道凈空內(nèi)的水平及拱頂?shù)挠?jì)算變形值在初支及二襯時(shí)幾乎一致。同時(shí)，沒有突變值體現(xiàn)了支護(hù)結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，反映了支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

圖11 有限元模擬計(jì)算值與實(shí)際累計(jì)變形監(jiān)測值的對(duì)比

水平計(jì)算值與水平監(jiān)測值存在較大的誤差，這是因?yàn)樵谟邢拊?jì)算中考慮了地面超載引起的側(cè)向土壓力使得水平計(jì)算值變大。目前巖土本構(gòu)模型的局限性以及巖土材料的敏感性，也是造成誤差的主要原因之一。總體而言，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果較為吻合，一定程度上可反映實(shí)際情況。

5 結(jié)束語

通過以上有限元理論計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測值對(duì)比分析，可得到如下結(jié)論：

（1）在采用噴錨暗挖法對(duì)隧道的開挖施工過程中，要嚴(yán)格遵守噴錨暗挖法的18字方針。尤其是要清楚在開挖前對(duì)土體預(yù)加固預(yù)處理的重要性，為開挖面提供一個(gè)安全可靠的作業(yè)環(huán)境。

（2）超前小導(dǎo)管注漿與否對(duì)拱頂?shù)挠绊懸h(yuǎn)大于對(duì)拱腰的影響。超前小導(dǎo)管注漿可以減少掌子面土層的受力，把一定范圍內(nèi)土層結(jié)成整體，提高開挖面上部一定范圍內(nèi)土層的剛度和強(qiáng)度，保證開挖面穩(wěn)定。

（3）利用Midas-GTS對(duì)隧道開挖過程變形的模擬是可行的，考慮到巖土材料的敏感性以及目前巖土本構(gòu)方程的局限性，模擬值與監(jiān)測值雖然存在一定的誤差，但是總體變形趨勢(shì)一致，能夠比較清晰地反映實(shí)際情況，在實(shí)際施工過程中具有一定的可行性與指導(dǎo)性。