陳慧雨，齊棟梁

(河北水利電力學(xué)院,河北 滄州 061001)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,地鐵作為整個(gè)城市交通系統(tǒng)的重要組成部分,不僅有效地緩解了城市交通壓力,更是在促進(jìn)城市區(qū)域發(fā)展、提升城市形象、改善城市居住環(huán)境等諸多方面具有重要的支撐作用。此外,為減少對(duì)地面周?chē)ㄖh(huán)境、道路交通和地下管線的影響,地鐵隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及開(kāi)挖方法適用性一直都是城市地鐵建設(shè)工程重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題[1-3]。

為了提升地鐵隧道穿越軟弱破碎巖體時(shí)的安全性,國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者已經(jīng)做了大量研究工作。其中,臺(tái)階法施工具有靈活多變且適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于軟弱圍巖隧道工程中。蔣亮等[4]利用FLAC3D軟件模擬了Ⅳ級(jí)軟弱圍巖隧道采用臺(tái)階法施工,研究分析了不同臺(tái)階長(zhǎng)度開(kāi)挖所引起的拱頂和地表變形情況。劉招偉等[5]基于蒙華鐵路段Ⅴ級(jí)圍巖家坪隧道工程,提出了仰供開(kāi)挖、支護(hù)與下臺(tái)階同步進(jìn)行的一次開(kāi)挖施工技術(shù)。楊招等[6]以西安地鐵6號(hào)線區(qū)間隧道工程為依托,提出了一種適用于地裂縫破碎帶的優(yōu)化CRD施工方法。另一方面,我國(guó)地鐵隧道工程逐漸趨于大斷面化甚至特大斷面化,這對(duì)傳統(tǒng)臺(tái)階法的適用性、經(jīng)濟(jì)性和安全性提出了更高的要求。王丙坤等[7]針對(duì)海螺峪大斷面破碎圍巖隧道開(kāi)展了隧道臺(tái)階法施工優(yōu)化研究。黃小明等[8]基于新白石扁平特大斷面隧道工程,對(duì)比分析了三臺(tái)階法和CD法兩種開(kāi)挖方法的圍巖-支護(hù)力學(xué)響應(yīng)。孫引浩[9]依托后嶺下隧道,研究了變截面臺(tái)階法開(kāi)挖引起的圍巖變形特性,為變截面隧道工程中過(guò)渡段安全施工提供了一定技術(shù)指導(dǎo)。

本文以青島地鐵4號(hào)線某區(qū)間隧道工程為依托,結(jié)合該工程地質(zhì)勘察資料及相關(guān)設(shè)計(jì)資料,建立了Midas-GTS有限元分析模型,全過(guò)程模擬了兩種不同斷面隧道采用上下臺(tái)階法和交叉中隔壁法(CRD)施工流程,分析了軟弱破碎圍巖地鐵隧道開(kāi)挖所引起的拱頂及周?chē)貙討?yīng)力、位移變化,相應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果可為類(lèi)似地鐵隧道暗挖施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

青島地鐵4號(hào)線某區(qū)間隧道全長(zhǎng)1 028 m,圖1給出了該區(qū)間隧道線路縱斷面,地面高程約為26.77 m～28.84 m;最大線路縱坡為27‰,為V型坡隧道。該區(qū)間隧道的土層從上至下為:素填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂和風(fēng)化花崗巖,局部有強(qiáng)風(fēng)化煌斑巖巖脈。素填土厚度1.8 m～2.4 m,填土層土質(zhì)松散、土質(zhì)不均勻、穩(wěn)定性差;粉質(zhì)黏土厚度3.2 m～8.8 m,呈軟塑—硬塑狀,穩(wěn)定性較差;粗礫砂厚度0.0 m～8.0 m,飽和,穩(wěn)定性差;最下層為Ⅳ級(jí)—Ⅴ級(jí)花崗巖,其巖質(zhì)極為破碎,有較低的穩(wěn)定性。此外,地下水埋深1.3 m～5.2 m,主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水,第四系孔隙水主要賦存于砂層,富水性較好,基巖裂隙水主要賦存于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖裂隙中,富水性較差。

依據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告和相關(guān)設(shè)計(jì)資料,隧道斷面擬設(shè)計(jì)為單洞單線和雙線兩種結(jié)構(gòu)方案,圖2給出了單洞單線和雙線隧道復(fù)合式襯砌斷面設(shè)計(jì)結(jié)果。

2 數(shù)值仿真

由于該區(qū)間隧道圍巖破碎且穩(wěn)定性較差,綜合考慮施工安全、工程造價(jià)以及對(duì)周?chē)h(huán)境影響等諸多因素,確定單洞單線隧道方案擬采用上下臺(tái)階法進(jìn)行施工開(kāi)挖,單洞雙線隧道方案采用CRD法進(jìn)行施工開(kāi)挖。同時(shí),為了驗(yàn)證隧道襯砌設(shè)計(jì)的合理性及開(kāi)挖方法的有效性,利用Midas-GTS有限元分析軟件建立了單洞單線和雙線隧道斷面的數(shù)值分析模型,基于Mohr-Coulomb本構(gòu)模型全過(guò)程模擬了各隧道斷面開(kāi)挖和支護(hù)的整個(gè)施工流程。在施工過(guò)程模擬中,通過(guò)殺死單元屬性的形式來(lái)模擬土體開(kāi)挖,通過(guò)激活單元屬性的形式來(lái)模擬施加支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2.1 單線馬蹄形隧道數(shù)值建模

根據(jù)區(qū)間隧道線路縱斷面選取所模擬的隧道地質(zhì)斷面,建立了相應(yīng)的數(shù)值模擬模型,如圖3所示。其中,隧道開(kāi)挖寬度為6.3 m,高度為6.729 m,覆蓋巖土層厚度為11.6 m,模型水平寬度取為35 m。在數(shù)值模擬過(guò)程中,模型土層采用四邊形單元,錨桿采用的是桿單元,襯砌部分采用的是梁?jiǎn)卧?模型兩端邊界處施加水平方向約束,對(duì)模型底部施加水平與豎直方向約束;將開(kāi)挖部分分成上下兩個(gè)臺(tái)階,按照施工工序依次進(jìn)行開(kāi)挖模擬。表1列出了數(shù)值模擬中所采用的相關(guān)力學(xué)參數(shù)。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 單線馬蹄形隧道臺(tái)階法施工模擬

針對(duì)單線馬蹄形隧道采用中臺(tái)階機(jī)械式開(kāi)挖方法,其施工順序?yàn)?開(kāi)挖完第一臺(tái)階土層后,進(jìn)行襯砌與錨桿支護(hù);再開(kāi)挖第二臺(tái)階土進(jìn)行襯砌與錨桿支護(hù)。其中,上臺(tái)階土厚3.4 m,下臺(tái)階土厚3.329 m。圖4給出了該隧道斷面施工開(kāi)挖支護(hù)后的數(shù)值模擬結(jié)果云圖,通過(guò)殺死該部分單元模擬土層開(kāi)挖,并激活開(kāi)挖區(qū)域范圍錨桿與襯砌混凝土單元的材料屬性,進(jìn)而模擬分析隧道支護(hù)后周?chē)貙幼冃渭皯?yīng)力重分布情況。

從圖4中可直觀地看出,開(kāi)挖上臺(tái)階并及時(shí)進(jìn)行支護(hù)后的拱頂豎向位移為0.196 mm,上臺(tái)階的兩端角位置處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大豎向應(yīng)力為597.3 kPa;當(dāng)隧道范圍內(nèi)土體全部開(kāi)挖完后,拱頂最大豎向位移約為0.210 mm,遠(yuǎn)小于Q/CR 9218—2015鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程[10]所要求的拱頂下沉量限值,且仰拱隆起的位移可忽略不計(jì);此外,下臺(tái)階支護(hù)完成后使整個(gè)隧道斷面受力變得較為均勻,緩解了因上臺(tái)階開(kāi)挖所導(dǎo)致的側(cè)壁應(yīng)力集中。與此同時(shí),圖5給出了馬蹄形單線隧道臺(tái)階法施工的地層總應(yīng)力和總位移分布模擬結(jié)果,從圖5可以看出,隧道圍巖位移變形較小,進(jìn)一步驗(yàn)證了該馬蹄形單線隧道襯砌設(shè)計(jì)的合理性及采用臺(tái)階法施工的有效性。

2.3 雙線馬蹄形隧道數(shù)值建模

類(lèi)似于前文單洞單線隧道施工數(shù)值模擬過(guò)程,根據(jù)區(qū)間隧道線路縱斷面選取了圖6(a)所示的單洞雙線隧道地質(zhì)剖面,雙線隧道外輪廓斷面寬度為11.8 m,高度為9.3 m,模型的水平寬度取為50 m;圖6(b)為相應(yīng)CRD法施工的數(shù)值計(jì)算模型,其中隧道內(nèi)范圍土體被劃分為上中下三個(gè)臺(tái)階,并被中隔壁劃分為了六個(gè)區(qū)域,第三個(gè)臺(tái)階土層厚為2.5 m,其余臺(tái)階土層厚均為3.4 m。同時(shí),表2列出了數(shù)值模擬中所采用的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)。

表2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

2.4 單洞雙線隧道CRD法施工模擬

采用CRD法進(jìn)行隧道開(kāi)挖的數(shù)值模擬工序依次為:首先,開(kāi)挖上部左側(cè)上臺(tái)階,激活上部洞身的支護(hù)結(jié)構(gòu)單元屬性(如打設(shè)系統(tǒng)錨桿、初噴混凝土、中隔壁施工);隨后,開(kāi)挖左側(cè)中臺(tái)階,激活左側(cè)洞身中臺(tái)階支護(hù)結(jié)構(gòu)單元屬性;接著,再依次開(kāi)挖右側(cè)上、中臺(tái)階的土體,并激活相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)單元屬性;最后,依次開(kāi)挖下臺(tái)階土體,拆除中隔壁,并激活仰供支護(hù)結(jié)構(gòu)屬性。相應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果如圖7,圖8所示。

由圖7總應(yīng)力分布模擬結(jié)果可以看出,初始左上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)后,在開(kāi)挖區(qū)域各端點(diǎn)易發(fā)生應(yīng)力集中效應(yīng);隨著隧道斷面分步開(kāi)挖,圍巖應(yīng)力得到逐步釋放,隧道拱頂和仰供中部區(qū)域圍巖壓力由中隔壁來(lái)傳遞,導(dǎo)致該處巖體應(yīng)力和側(cè)墻底部應(yīng)力偏大;直至整個(gè)隧道斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)封閉,總應(yīng)力變化才趨于平緩。上述應(yīng)力模擬結(jié)果,在一定程度上可為指導(dǎo)隧道工程安全施工提供一定借鑒和參考。另一方面,圖8給出了雙線隧道開(kāi)挖支護(hù)后總位移分布模擬結(jié)果,從圖中可以看出,隨著隧道斷面分臺(tái)階開(kāi)挖,拱頂處的總位移也逐漸升高,最終總位移達(dá)到了65.86 mm,仰拱隆起值為18.82 mm。根據(jù)TB 10003—2016鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[11]可知,跨度為8.5 m～12 m的Ⅴ級(jí)圍巖隧道復(fù)合襯砌預(yù)留變形量為80 mm～120 mm,上述收斂變形模擬結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范要求,設(shè)計(jì)合理且風(fēng)險(xiǎn)可控。

3 結(jié)論

依托于青島4號(hào)線某軟弱破碎圍巖段地鐵隧道工程,對(duì)單洞單線與雙線馬蹄形隧道斷面的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了合理性分析,并借助有限軟件模擬了該兩種斷面分別采用上下臺(tái)階法和交叉中隔壁法(CRD)的施工開(kāi)挖過(guò)程,數(shù)值模擬結(jié)果表明:

1)上下臺(tái)階法在小斷面地鐵隧道施工中,引起隧道拱頂變形較小,施工安全性較高。

2)針對(duì)圍巖穩(wěn)定性較差且中大斷面的地鐵隧道,采用交叉中隔壁(CRD)法進(jìn)行施工開(kāi)挖,中隔壁處產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)且該處往往巖體應(yīng)力略大,故應(yīng)特別注意中隔壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性,避免因設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致其變形過(guò)大,發(fā)生工程事故。此外,CRD法分步開(kāi)挖支護(hù)有利于圍巖變形控制且提供了充足施工作業(yè)空間,因此特別適用于軟弱破碎圍巖隧道施工。