拱盖法施工导洞相互影响分析及变形控制研究

李 伟

(中铁十七局集团第一工程有限公司，山西太原 030032)

在碎裂松散岩层地质条件下修建大跨车站是隧道建设中的难题［1］，如何减小隧道导洞在施工时的相互影响，有效控制地表沉降，是施工中首要考虑的问题。大断面单一导洞施工，同一断面开挖相互影响只受到空间因素影响，而大拱脚拱盖法施工采用单拱直墙分三导洞以不同的施工顺序开挖，因此已开挖完成的导洞会受到相邻导洞在时间、空间上的影响。本文以青岛地铁三号线中山公园车站为例，采用数值模拟结合现场实测数据，主要研究左、中、右导洞以错开10 m 平行施工条件下相邻导洞的影响，并提出加固措施和改进参数。

1 工程概况

青岛地铁三号线中山公园站车站全长176.9 m，地处香港西路正上方、天泰体育场西北侧，内有韶关路、荣成路和香港西路交汇，市政管线较多，车流量大并有大型市政车辆通过。车站上断面开挖最大宽度22.9 m，最大高度7.4 m，埋深为11 m，覆跨比为0.48，属于浅埋。穿越的地层由下到上主要为:微风化花岗岩、中风化花岗岩、强风化花岗岩、砂粘性土、松散粉质粘土。地下水为第四系松散土层孔隙水，在硐室内呈滴或渗状，基坑涌水量376.62 m3/d。

如图1 所示，超前注浆方式及参数:拱顶打设单排材料为φ42的无缝超前小导管，单根长度5 m，环距0.2 m×排距1 m。两侧横向施作单排小导管，尺寸为1.2 m×1.2 m，单根长度4 m。初期支护参数:拱顶锚杆采用RD25 锚杆，锚杆长度4 m，环距1 m×纵距1 m 梅花形布置;双侧壁打设φ22 长度2.5 m 的砂浆锚杆，尺寸为环距1.2 m×纵距0.75 m。格栅钢架间距为0.5 m，侧壁临时钢支撑采用22b 工字钢，间距为0.5 m。

图1 车站上断面支护参数（单位：m）

2 导洞开挖相互影响模拟

2.1 3D 模型建立

根据硐室开挖对围岩造成的扰动范围建立三维有限差分模型［2，3］，横向×纵向×竖向为120 m×180 m×80 m，分五个岩土层，采用摩尔—库仑准则，考虑静水压力。边界条件为:四周侧面为水平链杆，下部为固定铰支座，顶部为自由边界。模型总共866 559 个单元，150 671 个节点，为提高精确度，在硐室及周围网格划分较密，如图2 所示。

图2 车站3D 数值模型

2.2 工序模拟

根据现场实际施工情况，施工顺序为:开挖左导洞20 m 进行支护→开挖右导洞20 m 进行支护→施工中导洞10 m 进行支护→开挖左导洞10 m 进行支护→开挖右导洞10 m 进行支护→开挖中导洞10 m 进行支护……按此顺序施工完成车站全部上断面。

2.3 群洞效应分析

首先开挖左导洞20 m 并进行初支，由竖向位移云图可知左导洞顶部最大沉降值为-16 mm，扩展至地面的沉降值为-12 mm，拱脚处及两帮发生位移突变，说明薄弱部位需要特别支护。右导洞开挖支护20 m 之后，左导洞拱顶沉降范围进一步扩大，两帮位移发生位移调整，两导洞上部沉降扩展连通，地面产生大面积沉降。左右导洞靠近中导洞的帮边位移重新调整变为0 mm，分析原因是右导洞开挖后围岩向硐室内部移动，牵连左导洞围岩变化，使围岩产生二次应力释放，使两帮围岩均减少。中导洞开挖10 m 支护之后，上部沉降除型钢支撑处拱顶沉降较少之外，上部沉降位移均达到-16 mm。底板底鼓位移扩展连通，最大底鼓量为+4 mm(见图3)。

图3 第一轮导洞开挖

对于第二轮循环开挖，左导洞再进尺10 m 后，拱顶竖向位移最大沉降值增加了4 mm～-20 mm，沉降范围进一步扩大，拱肩处位移向水平方向发展，拱脚处位移连同底板位移发展相连，下部围岩扰动范围增大。右导洞再开挖10 m 后，拱顶围岩沉降进一步增加，与第一轮开挖区别在于底部围岩扰动较为剧烈，中导洞为开挖围岩向硐室移动位移为+3 mm，说明前一轮硐室开挖减小了限制围岩变形的能力。中导洞再开挖10 m 后，拱顶上部围岩大部分沉降增加至-20 mm，形成明显的沉降槽，同样在型钢支撑位置处围岩沉降值偏小，下部围岩因前轮开挖使得底板鼓起值增加，形状符合塑性滑移线的规律(见图4)。

图4 第二轮循环开挖

3 群洞效应消除措施及研究

3.1 加固措施改进

由上述描述可知，相邻导洞开挖影响较大，即使围岩有一定厚度也会使得相邻导洞产生相互影响，为限制群洞效应产生，不仅要确保松散围岩体得到控制，而且要隔断这种位移的传递。地下工程不同于其他岩石工程［4］，由于开挖扰动导致围岩回弹变形产生应力释放和转移，表现为径向应力减小、切向应力增大的加载卸载复杂效果［5］，因此要限制围岩的变形必须保证围岩的完整度。锚杆的效果是使得松散围岩变得完整，但是围岩中的裂隙在硐室开挖中会变得更大，因此要减少围岩裂隙，其最有效的方式是施工注浆锚杆。改进方案为:

拱顶锚杆采用RD25 中空注浆锚杆，长度及间排距保持不变;双侧壁砂浆锚杆改为中空注浆锚杆，长度改为4 m，间排距保持不变。

3.2 加固效果分析

为了分析加固方案的效果，选取第二轮开挖完成后危险截面进行分析:

1)从围岩塑性区分布情况来看(见图5)，第二轮循环开挖完成之后塑性区最大范围为2.5 m，小于注浆锚杆长度4 m，拱脚、两帮及底板塑性区控制明显，拱顶塑性区为向上部围岩扩展，说明注浆锚杆有效提高了围岩力学性质和稳定性，将塑性区控制在安全范围之内。

图5 塑性区云图

2)从支护结构受力上看(见图6)，注浆锚杆的受力状态增大，尤其是拱顶处注浆锚杆轴力与初支结构形成简易简支梁，与上部注浆围岩组合为受压结构，由拱顶处锚杆轴力最大可知控制拱顶下沉效果明显。型钢支撑处锚杆受压，可适当减少支撑处锚杆数量。两帮注浆锚杆受拉，轴力较大，说明支护结构可有效控制硐室围岩向内部移动。

图6 结构受力云图

3)从关键部位位移变化量上来看(见图7)，拱顶下沉量由-20 mm 减少至-14 mm，降幅为30%;两帮收敛位移由8 mm 减少至5 mm，降幅为37.5%;底板鼓起位移量由2.8 mm 减少至1.8 mm，降幅为35.7%。

图7 导洞关键部位位移变化量

4 结语

1)左、中、右导洞以相互错开10 m 的形式在施工中会相互影响，前一轮的开挖支护会对下一轮施工中的关键部位产生影响;2)为有效控制围岩扰动，降低地表及关键部位位移变化量，对于碎裂岩土体，要通过注浆改善围岩裂隙，提高围岩的稳定性;3)改进支护方案后，围岩塑性区范围小于注浆锚杆的长度，且关键部位锚杆均发挥作用，关键位置位移沉降量有明显改善。

［1］董新平，周 顺.浅埋地下通道地表沉降原因分析［J］.现代隧道技术，2005，42(1) :68-69.

［2］邱 凡，俞建娟，胡龙宇.盾构隧道临近施工影响的数值模拟分析［J］.山西建筑，2014，40(26) :171-173.

［3］尤帆帆，邱晓莉.基于FLAC3D 的隧道台阶开挖数值模拟与分析［J］.山西建筑，2014，40(28) :189-190.

［4］郭富利，张顶立，苏 洁，等.地下水和围压对软岩力学性质影响的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2007，26(11) :2331-2332.

［5］范 勇，卢文波，严 鹏，等.地下洞室开挖过程围岩应变能调整力学机制［J］.岩土力学，2013，34(12) :3583-3584.