暗挖黄土隧道围岩与支护结构相互作用分析

吕 杰 白 鹤

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

暗挖黄土隧道围岩与支护结构相互作用分析

吕 杰 白 鹤

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

以西安地铁三号线某区间暗挖隧道为工程依托，通过数值模拟分析与收敛监测相结合的方式，研究了隧道围岩压力随着开挖过程的变化，分析了隧道支护结构受力特性，结果表明，随着隧道的开挖，围岩应力逐渐释放，围岩的最大接触压力逐步由上向下转移，并且不是完全对称分布的。拱腰处受力往往最大，在隧道设计及施工中应予以高度重视，对支护结构进行加强设计或采取其他安全措施。

地铁，暗挖隧道，围岩应力，数值模拟，收敛监测

0 引言

在黄土地层中运用暗挖法进行隧道施工存在着极大的风险，主要是由于黄土本身的不良工程性质决定的，再加之施工技术、支护结构以及工序转换的不同使得在暗挖黄土隧道施工过程中存在了更多潜在风险。对掌子面逐步进行开挖，围岩被扰动，应力重分布，使得围岩与支护结构相互作用发生变化，支护结构受力最大之处便是整个隧道最薄弱部位，将会严重影响隧道围岩的稳定性和施工安全。本文依托西安地铁三号线某区间暗挖隧道工程，运用数值模拟方法分析围岩与支护结构相互作用特性并结合隧道结构位移实测数据，对隧道在开挖过程中的受力及变形特点进行分析研究，得出了隧道围岩应力分布与施工过程的关系，并结合实测的隧道支护结构收敛变形数据分析出了隧道开挖过程中的最不利工况，浅析了整个隧道施工过程的稳定性，为今后的研究及工程应用提供研究思路。

1 工程概况

1.1 工程概述

西安地铁三号线某区间敷设于位于西安市东二环金花南路正下方，总长度954.931 m，断面形式为双线单洞暗挖隧道，隧道净宽10.1 m，高10.3 m。隧道位于黄土地层，埋深为9.6 m～12.8 m。

1.2 场地工程地质

表1 地层物理力学参数表

2 施工过程数值模拟

2.1 工程概述

本文采用ANSYS有限元软件模拟CRD工法隧道开挖过程，分析各施工状态下围岩与支护结构的相互作用关系以及围岩应力分布规律，进而得出在暗挖隧道整个施工过程中的薄弱环节，指导隧道结构设计，增加安全措施以提高整个隧道稳定性。

模型边界为3倍洞径范围内土体，将周围土体简化为各向同性的连续介质，其力学特性采用D-P本构模型(见图1)。

2.2 结果分析

区间暗挖隧道采用CRD法施工，开挖步序为右上导洞→右下导洞→左上导洞→左下导洞。对这一过程进行数值模拟分析，从而对整个施工过程中围岩与支护结构的相互作用进行分析。

1)分析结果表明，右上导洞开挖以后随着围岩压力的释放，初支开始发挥作用，拱脚处背土侧位置出现最大应力，约为13 MPa，而拱顶处应力值远小于右上导洞拱脚处，由拱顶到拱脚处逐渐增大。

2)随着右下导洞开挖，右半环初支闭合，围岩应力进一步释放，在上下导洞节点处的背土侧应力最大，围岩侧土压力对支护结构的作用明显，随着临时横撑及中隔壁架设，抵消了部分拱腰节点处的应力，此时最大应力约为15 MPa。

3)左上导洞开挖后，出现了与右上导洞类似的受力特点，最大应力出现在左上导洞拱脚位置，其次分布在右导洞拱腰处，由于右侧临时支撑结构已架设，能够抵消部分围岩压力，所以比左侧拱脚处应力值略小，而分布趋势还是由拱顶和拱底两端向中间逐渐增大，而且拱顶处出现了偏压状态。

4)左下导洞开挖后，初支结构封闭，在左侧上下导洞节点处应力值最大，在临时支撑架设之后应力值减小。整个初支应力分布呈现由上下向中间递增。

3 收敛监测数据分析

3.1 监测目的及内容

初支结构能够承担隧道开挖之后的围岩压力，受力后初支发生的变形情况在一定程度上能反映出其所处的应力状态，所以在整个开挖过程中对初支结构进行收敛变形监测，通过数据对围岩与初支的相互作用进行分析。选取该区间隧道三处断面进行收敛变形监测，读取断面前方1 m处掌子面开挖后隧道的拱顶沉降和净空位移收敛值，分析隧道初支在各个施工部序下的变形趋势，进而反映出围岩与支护结构的相互作用关系。

3.2 数据结果分析

由于CRD工法每个导洞开挖要满足一定的步距要求，为了与平面二维数值分析相匹配，可认为当掌子面开挖远离监测断面之后，由于支护结构及时施作，加之应力完全释放，对监测断面处的收敛变形影响将越来越小，即本文不考虑隧道的纵向开挖对于平面监测的影响。

拱顶沉降监测结果见图2，水平收敛监测结果见图3。

根据收敛监测数据显示，在开挖影响范围内的断面拱顶沉降值和水平位移值均随着隧道开挖而增加。特别是右下导洞开挖和左下导洞开挖时，由于支护结构闭合滞后，沉降和水平位移速率更大，这与数值分析吻合。

4 结语

1)隧道开挖后引起围岩应力重分布，拱脚处受力往往很大。拱顶处由于压力拱效应的存在，同时黄土围岩自身稳定性较好，拱顶处所受压力较小。拱顶的沉降速率不大。

2)下导洞开挖后拱腰节点处受力进一步增大，临时支护结构发挥了重要作用，此部位的设计应注意采取加强措施并在施工中应密切注意。支护结构闭合以前，在围岩压力作用下会产生较大的水平侧向位移和沉降而且速率较大，通过收敛监测结果也得到证实。

3)整个支护结构闭合后围岩压力逐步趋于稳定，分布大致呈现了由上下向中间逐渐增大的应力分布趋势，拱顶处应力远小于拱腰处，围岩应力呈现出“偏压”效果。拱顶沉降和水平位移速率趋于平缓。

4)通过本文的研究，表明黄土围岩隧道在开挖过程中，支护结构及时施作并辅以临时支撑能够保证较小的隧道收敛变形，由于黄土的力学性质较好，围岩自身稳定性高，应力释放后施加在支护结构上导致的拱顶沉降和水平位移在开挖影响范围以内较显著，此时要尤为注意尽早闭合支护结构。节点处的连接质量很大程度上影响了支护结构在后续开挖部序的变形，通过数值模拟和监测数据都能良好的反映。

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[2] 张 铎，李德武，王君顺.浅埋黄土隧道围岩压力计算值与实测值的对比分析[J].四川建筑,2010，30(1)：85-86.

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[4] 党维维.西安黄土地铁隧道浅埋暗挖施工过程的数值仿真及方案优化[D].西安：西安理工大学，2009.

On mutual effect of underground excavation loess tunnel surrounding rock and support structures

Lv Jie Bai He

(ChinaRailwayTunnelSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Tianjin300133,China)

Taking the underground excavation tunnel of some section along No.3 Metro in Xi’an as the example, the paper researches the changes of the tunnel surrounding rock pressure in the excavation process according to the numeric simulation analysis and convergence monitoring, analyzes the stressed features of the tunnel support structure, proves by the result that the surrounding rock stress is released gradually and its maximum contact pressure alters from top side to the lower position with incomplete symmetric distribution in the tunnel excavation, and proves that the maximum of the haunch stress should be stressed in the tunnel design and construction, so the design for the support structure should be enhanced or other safety measures be adopted.

subway, underground excavation tunnel, surrounding rock stress, numeric simulation, convergence monitoring

2015-04-21

吕 杰(1987- )，男，助理工程师； 白 鹤(1987- )，男，硕士，助理工程师

1009-6825(2015)19-0181-02

U451

A