韓 馳，秦明澤，曹文豪，石 杰，陳 凱，張學宇，張申源

(1.南陽理工學院土木工程學院，河南 南陽 473000;2.棗莊職業(yè)技術(shù)學院 組織人事部，山東 棗莊 277000)

雙線隧道進行開挖會造成隧道周圍的地面嚴重松動變形，危及周圍建筑物和居民安全。雙線隧道的開挖一直被國內(nèi)外業(yè)界人士所看重，降低開挖時對地表沉降的影響更是其中的難點。1806年，英國工程師布魯爾于首次提出盾構(gòu)法的施工原理，后經(jīng)過改進，在氣壓的輔助下，完成了第一條盾構(gòu)施工法的隧道[1]。自19世紀初以來，通過對國內(nèi)外研究成果的總結(jié)可以分為經(jīng)驗公式法、模型試驗法和數(shù)值模擬法。1969年，Peck發(fā)現(xiàn)隧道水土流失量基本等于開挖時地表水平沉降值，且地表沉降相似于呈現(xiàn)正態(tài)分布，并將隧道地表水平沉降曲線設置為沉降槽形式，后發(fā)現(xiàn)其沉降曲線呈現(xiàn)正態(tài)分布[2]。國內(nèi)學者[3]對Peck公式進行了優(yōu)化，并準確地預測了地表下沉量。在1984年Mair在參照盾構(gòu)開挖監(jiān)測數(shù)據(jù)的同時采用了離心模型來模擬軟土地層隧道從而提出了盾構(gòu)隧道施工造成地面沉降公式[4]。2005年，朱偉等研究盾構(gòu)在穿過砂土層時運用了FLAC 3D軟件，對隧道的埋深做出了分析、掌子面支撐力大小和砂土內(nèi)摩擦角以及直徑與地表沉降關系[5]。上述眾多理論的提出也進一步發(fā)展和完善了雙線隧道盾構(gòu)施工的理論，同時國內(nèi)學者對雙線隧道開挖及穩(wěn)定性[6-11]進行了較為深入的研究，為減小地表沉降影響的理論邁下了堅實的一步。

本文以洛陽地鐵二號線某一區(qū)間隧道工程為背景，用FLAC 3D進行具體隧道的數(shù)值模擬并對圓形隧道斷面及地表進行監(jiān)測分析。對雙線隧道開挖后、支護后的位移收斂進行檢測和研究，科學的對隧道穩(wěn)定性做出客觀實際的規(guī)律總結(jié)，進而指導實際施工。

1 某隧道工程概況

洛陽軌道交通2號線(Luoyang Metro Line 2)，是位于河南省洛陽市的一條標準地鐵線路，工程的隧道位于該路段的LY45+000～LY47+980段內(nèi)，該隧道為雙線隧道，隧道采用雙線四車道，左、右線分別長約1 830 m,2 170 m。工況地處中原，地質(zhì)狀況較好，地下水系較為簡單，因此可以忽略地下水對施工進度的正常進行影響。

該隧道的斷面為圓形斷面，隧道的直徑為8 m，埋深為44 m，地層標高為143 m～155 m。斷面面積為50.27 m2。根據(jù)表1判斷，該隧道為大斷面隧道。

表1 按凈空面積劃分的隧道斷面分類

2 支護方案及參數(shù)

隧道施工方式采用盾構(gòu)法，隧道的支護方式采用盾構(gòu)支護，首先，盾構(gòu)機沿著目標線路分段，從啟動井開始開挖土方。盾構(gòu)機在前方土壓力、盾構(gòu)機內(nèi)摩擦、千斤頂推力和側(cè)向土摩擦阻力的作用下向前移動，隨著盾構(gòu)機向前推進，開始著手在盾構(gòu)機尾部安裝管片，盾殼在管片安裝完成后將會從襯砌管片中脫出，且在盾尾脫空后立即開始注漿。其工程地質(zhì)具體各土層數(shù)據(jù)以及支護結(jié)構(gòu)參數(shù)(地質(zhì)和支護參數(shù))如表2所示。

表2 地質(zhì)和支護參數(shù)表

3 模型建立

利用FLAC 3D對雙線隧道進行開挖和支護模擬，針對巖土力學中材料的多樣性和各種材料之間異同性，F(xiàn)LAC軟件可擇的本構(gòu)模型可以簡單的概括為以下幾種：一種空模型、三種彈性模型、七種塑性模型此次采用摩爾-庫侖模型(Mohr-Coulomb Model)，該模型適用于普通土壤和巖石的力學行為(如邊坡穩(wěn)定和地下開挖)，對應的材料特征為：松散膠結(jié)的顆粒材料、土壤、巖石、混凝土等。

FLAC 3D數(shù)值模擬過程中，有三部分需要嚴格制定，第一步是有限差分網(wǎng)格；第二步是選擇本構(gòu)模型并且輸入材料特性即對材料進行賦值；第三步則是確定模型的邊界和初始條件，數(shù)值模擬大概流程如圖1所示。

模擬過程分為：數(shù)值模型建立、本構(gòu)模型的選擇、設置邊界條件、初始條件施加、材料參數(shù)進行賦值、開挖、初次支護、設置監(jiān)測點結(jié)果輸出。本次建模尺寸為：X×Y×Z=114 m×100 m×42 m，最終得出模擬的完整圖如圖2所示。

建立初始應力狀態(tài)的巖體結(jié)構(gòu)模型后，把結(jié)果進行保存，開始進行隧道的開挖，本次采用每5 m一開挖一支護的方式，開挖時需要構(gòu)建空洞模型。

確定邊界時，將模型Z軸下端固定，上端無需固定，Z軸為-24 m,X軸左右邊界均需要固定，X左端為-69 m，右端為45 m，Y軸前后兩端均需固定，Y軸前端為0 m，后端為100 m。重力加速度的大小為10 m/s2，方向鉛錘向下。本論文主要用的材料的物理參數(shù)有密度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、體積模量、剪切模量、抗拉強度，具體如表2所示。

本次隧道開挖共設有五個錯距方案：錯距0 m、錯距10 m、錯距20 m、錯距30 m、錯距40 m。具體開挖示意圖如圖3所示。

4 結(jié)果分析

4.1 隧道的地表沉降和圍巖的變形情況

以錯距為0 m的隧道為例，隧道的豎直方向和水平方向位移云圖如圖4所示。

水平豎向位移變化進行橫向、縱向?qū)Ρ惹闆r具體見表3。

由圖4，表3可知，錯距為0 m時，兩隧道位移基本沿中心線處于對稱狀態(tài)，其中仰拱最大下沉量為8.3 mm，拱頂最大隆起值為4.6 mm，橫向斷面收縮量(左右腰之和)為5.87 mm。

表3 水平和豎向方向位移收斂值

4.2 不同錯距隧道的變形情況分析

錯距為0 m～40 m時，雙線隧道的斷面變形情況如圖5所示。由圖5知，隧道最大變形量隨錯距先增大后減小，當錯距為30 m時，隧道的變形量最大，其中豎向最大收縮量為14.3 mm，橫向最大收斂值為6.3 mm。

4.3 不同錯距隧道地表沉降變形對比分析

當錯距為0 m,10 m,20 m,30 m以及40 m時，拱頂最大沉降量分別為50.3 mm,49.4 mm,48.0 mm,47.0 mm,46.3 mm。最大的沉降量出現(xiàn)在錯距為0 m時，隨著錯距增大，地表下沉量逐漸減小，當錯距大于20 m后，地表下沉趨于穩(wěn)定。因此，在該地質(zhì)和開挖條件下，20 m的錯距是最有利的錯距。不同錯距雙線隧道地表下沉情況如圖6所示。

5 結(jié)論

1)通過FLAC 3D數(shù)值模擬對比可得：錯距為0 m,10 m,20 m,30 m以及40 m時，隧道豎向收縮量分別為14.39 mm,14.2 mm,13.6 mm,13.4 mm,13.3 mm；橫向收縮量分別為6.3 mm,6.2 mm,5.8 mm,5.7 mm,5.68 mm，均呈現(xiàn)遞減趨勢。

2)隨著開挖錯距的增大，雙線隧道的地表下沉量逐漸減小，這與實際情況是相符的。

3)通過地表下沉及斷面收縮情況的模擬發(fā)現(xiàn)，當錯距為20 m時，為該地質(zhì)及開挖條件下的最優(yōu)錯距。