南京地铁小净距隧道施工力学及工序优化研究

李永珑

(中铁十七局集团 第六工程有限公司，福建 福州 350014)

南京地铁小净距隧道施工力学及工序优化研究

李永珑

(中铁十七局集团 第六工程有限公司，福建 福州 350014)

以在建“南京地铁”非对称小净距隧道为背景，深入研究施工全过程力学行为及工序优化，总结变形特性、力学响应及塑性区分布规律。得出主要结论：①先行洞(断面小)变形主要受自身施工控制，后行洞(断面大)关键控制步为右Ⅲ区开挖和临时支撑的拆除，CRD法能有效减少洞身变形，控制塑性区增长。②随着后行洞施工，先行洞支护内力不断演化，轴力和弯矩峰值逐渐向中岩墙侧移动，成为支护稳定关键控制部位。由于先行洞开挖，相当于中岩墙围岩部分约束解除，后行洞竖向临时支撑承受较大轴力。临时支护拆除，其轴力向环向支护转移，后行洞中岩墙侧支护轴力明显小于外侧支护轴力。③右洞(断面大)先行时，支护结构受力与左洞先行正好相反，并且安全系数最小值更小，支护最大压应力会增大。综合考虑轴力、弯矩、安全系数、压应力及塑性区，宜先施工左洞(断面小)，利用施工偏压消除或减弱非对称小净距结构偏压作用。④隧道宜采用非对称设计，加强左洞中岩墙侧支护参数，而后行洞背离中岩墙侧支护需加强参数，与先行洞规律相反。

小净距隧道 力学行为 施工工序 中岩墙 结构偏压

随着我国城市地铁的飞速发展，小净距隧道由于其占用空间小、彼此互通的特点得到了大量应用［1-2］。在地形和地质条件基本对称时，非对称小净距隧道由于断面不一致会引起结构偏压现象，同时受到施工偏压［3-5］。隧道断面越大，隧道施工后结构所受偏压越大，后行洞施工会对围岩再次扰动，使中岩墙稳定性进一步恶化，并引起先行洞支护内力增大。

目前大多数研究主要集中于小净距隧道爆破振动控制、量测和开挖等方面，而对非对称小净距隧道动态施工力学行为及工序研究相对较少［6-8］。非对称结构形式容易形成偏压效应，合理的施工工序会使偏压情况减弱，如果施工工序选择不恰当，会进一步加剧偏压情形，使结构安全性更差［9-10］。因此，对非对称小净距隧道非对称结构形式进行动态施工力学行为及合理工序研究具有重要理论意义和实践指导价值。

1 工程概况

南京地铁二号线一期工程苜蓿园站—小卫街站区间小净距段，主要为砂岩、泥岩。开挖过程中，顶部和侧壁的松弛变形明显，具有明显时空效应，中岩墙成为结构薄弱环节，小净距隧道整体稳定性与工法工况密切相关，如果控制不当，岩柱体将不可避免地形成贯通的塑性区，导致塑性流动失稳。另外，小净距段处于市区繁华地段，而且覆土地层浅、城市环境要求高，如果发生事故，将导致严重的经济和社会不良影响。因此，合理的隧道支护参数和施工工序显得尤为重要。

2 数值模拟

2.1 计算模型的建立

考虑边界效应，模型范围取得足够大，横向210 m，隧道中心到底部边界选取50 m，上边界为地表自由边界，左右边界水平位移约束，下边界竖直位移约束。埋深38 m。采用 PLANE42单元模拟围岩，初期支护和临时支撑采用BEAM3梁单元，计算模型及开挖顺序见图1。

2.2 计算参数

参考地质勘察参数分析报告，结合《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)，以及施工经验，围岩、加固区及支护计算参数如表1所示。

3 动态施工力学行为

3.1 围岩变形

图1 有限元计算模型及开挖顺序

表1 物理力学参数

1)地表沉降

按照实际施工工艺，全断面法先开挖左洞(断面小)，CRD法再施工右洞(断面大)，随施工步进行，地表横向沉降曲线演变如图2所示。

图2 主要施工步结束后的地表沉降曲线

从图2看出，左洞施工引起地表沉降较小，最大值为0.63 mm。而右洞施工引起沉降值较大，其中关键施工部为右Ⅰ区和右Ⅲ区开挖，及最后临时支撑的拆除，最后的沉降量达到2.52 mm。最终地表沉降不是左、右洞开挖的简单线性叠加，而是呈现非线性双洞相互影响，特别是中岩墙的屈服。总之，右Ⅰ区和右Ⅲ区开挖，及最后临时支撑的拆除要引起足够重视，保证隧道整体稳定性。

2)洞周关键点沉降

洞周竖向变形常常是评价稳定性重要数据，隧道周边关键点(拱顶、仰拱)变形随施工荷载步变化时程曲线如图3所示。

图3 洞周关键点竖向变形时程曲线

从图3看出，左洞拱顶和仰拱竖向变形主要由自身条件决定，右洞施工对左洞基本没有影响。而左洞施工对右洞变形影响也较小，右洞拱顶、仰拱变形有两个较大增长点，分别为右Ⅲ区开挖和临时支撑拆除，需引起重视。

3.2 支护力学响应

典型施工步结束后支护结构弯矩、轴力见图4～图6。

图4 先行洞施工后支护内力云图

从图4～图6可以看出，先行洞施工引起自身的支护内力基本对称，随着右洞施工，先行洞内力也在不断演化，轴力和弯矩峰值逐渐向中岩墙侧移动，成为支护稳定关键控制部位。对于后行洞而言，由于先行洞开挖，相当于中岩墙部分约束解除，使得竖向临时支撑承受较大轴力，支护接头处出现较大弯矩。最后，临时支护拆除，轴力向环向支护转移，中岩墙侧支护轴力明显小于背离中岩墙侧支护轴力。因此对于后行洞而言，背离中岩墙侧支护相对处于更不稳定状态。

图5 右Ⅲ区施工后支护内力云图

图6 临时支护拆除支护内力云图

小净距隧道施工完全结束后，左洞支护结构关键点安全度如表2所示。

从表2看出：非对称小净距隧道拱顶、仰拱安全性较好。中岩墙侧先行洞安全系数小于背离中岩墙侧，成为施工稳定控制关键。先行洞中岩墙弯矩、轴力均大于背离中岩墙侧。从研究结果来看，建议先行洞非对称设计，加强中岩墙侧设计参数或增大配筋量。

小净距隧道施工完全结束后，右洞支护关键点安全系数如表3所示。

从表3看出：后行洞支护受力规律与先行洞不同，中岩墙侧支护轴力小于背离中岩墙侧，安全系数大于背离中岩墙侧。也就是说，对于右洞而言，应加强背离中岩墙侧的支护参数，适宜采用非对称设计，与先行洞规律相反，才能有效地提高非对称小净距隧道整体稳定性，节约成本，加快施工进度。

表2 先行洞支护结构内力和安全系数

表3 后行洞支护结构内力和安全系数

4 施工工序优化

为减小其他因素的影响，计算过程中均采用全断面工法，研究施工工序对支护结构及围岩稳定性影响，计算参数及模型如表1、图1所示。

4.1 支护力学响应

1)弯矩比较

两种工序条件下，引起的支护结构弯矩见图7。

从图7中看出，弯矩绝对值最大值(正弯矩、负弯矩)均发生在拱脚位置，左洞(断面小)先行时，弯矩最大值发生在左洞(正弯矩78.46 kN·m，负弯矩35.52 kN·m);右洞(断面大)先行时，弯矩最大值发生在右洞(正弯矩 86.05 kN·m、负弯矩44.87 kN·m)，且均位于中岩墙侧。因此，从弯矩峰值大小来看，宜先施工左洞，更有利于支护安全。

图7 施工结束后支护弯矩分布云图(单位：N·m)

2)轴力比较

两种工序条件下，支护结构轴力如图8所示。

图8 施工结束后支护轴力分布云图(单位：N)

从图8中看出，施工工序对轴力影响较大。左洞先行时，轴力最大值发生在左洞中岩墙侧边墙，为2 000 kN;右洞先施工时，轴力最大值发生在右洞中岩墙侧边墙，为2 280 kN。通常跨度大的隧道稳定性更差，如果右洞先行，轴力最大值在大断面隧道，更为不利。因此，综合考虑，认为先施工左洞更有利于小净距隧道整体稳定性。

以中岩墙侧的关键点比较不同开挖工序引起的支护结构安全度见表4、表5。

对比表4、表5，左洞(断面小)先行，中岩墙附近左洞安全系数小于右洞;右洞(断面大)先行，中岩墙附近左洞安全系数大于右洞。但是安全系数最小值发生在右洞先行时，因此，左洞(断面小)先施工较为合理。

表4 左洞先行时支护内力和安全系数

表5 右洞先行时支护内力和安全系数

3)应力比较

不同开挖工序导致支护最小主应力(压应力)分布如图9所示。

图9 施工结束后支护最小主应力分布云图(单位：Pa)

从图9看出，左洞(断面小)先行时，压应力最大值(11.5 MPa)发生在左洞中岩墙侧边墙处。右洞先行时，压应力最大值(12.4 MPa)发生在右洞中岩墙侧边墙处。显然，右洞先行引起支护应力更大。由此，先行洞中岩墙侧支护结构受力较大，右洞先行时支护受力更大，考虑到右洞断面更大，安全性更不好控制，所以左洞先行方案更加合理。

4.2 塑性区分布特征分析

小净距隧道开挖导致中岩墙承受更大荷载，如果塑性流动失稳，则对围岩稳定性非常不利，不同开挖工法引起塑性屈服区如图10所示。

图10 施工结束后塑性区分布云图

从图10中可以看出，左洞先行时，塑性区分布比较均匀沿洞周发展;右洞先行时，最大塑性应变值比左洞先行时要大，最大值发生在中岩墙侧，且分布相对不均匀，加大中岩墙的破坏程度，并且塑性区面积显著增大。因此，从塑性应变最大值、分布均匀程度及塑性区面积，均认为左洞先行优于右洞先行。

5 结论

1)先行洞(断面小)变形主要受自身施工控制，后行洞(断面大)关键控制步为右Ⅲ区开挖和临时支撑的拆除，会导致右洞拱部沉降突变，同时CRD法能有效减少洞身变形，控制塑性区增长。

2)随着后行洞施工，先行洞支护内力不断演化，轴力和弯矩峰值逐渐向中岩墙侧移动，成为支护稳定关键控制部位。对于后行洞而言，由于先行洞开挖，相当于中岩墙围岩部分约束解除，竖向临时支撑承受较大轴力，使得支护接头处弯矩较大。

3)临时支护拆除，其轴力向环向支护转移，后行洞中岩墙侧支护轴力明显小于外侧支护轴力。背离中岩墙侧支护相对处于更不稳定状态。

4)右洞(断面大)先行时，结构受力与左洞先行正好相反，并且安全系数最小值更小，支护最大压应力会增大。综合考虑轴力、弯矩、安全系数、压应力及塑性区，宜先施工左洞(断面小)，利用施工偏压消除或减弱非对称小净距结构偏压作用。

5)隧道宜采用非对称设计，加强先行洞中岩墙侧支护参数，而对后行洞支护设计而言，背离中岩墙侧需加强参数。

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U455.41+1

A

1003-1995(2012)01-0054-05

2011-07-20;

2011-10-15

李永珑(1973— )，男，内蒙古清水河人，高级工程师，硕士。

(责任审编 王天威)