侧导洞宽度对地铁大断面隧道施工的影响分析

毕振帅　余海英　赵鹏冲　路　伟

(1.解放军理工大学，江苏 南京　210007；　2.中国人民解放军73071部队，江苏 徐州　221400)



侧导洞宽度对地铁大断面隧道施工的影响分析

毕振帅1余海英1赵鹏冲1路伟2

(1.解放军理工大学，江苏 南京210007；2.中国人民解放军73071部队，江苏 徐州221400)

以南京轨道交通地下工程为依托，采用有限元软件，对大跨浅埋隧道的施工过程开展数值模拟研究，分析了侧导洞宽度对大断面隧道施工安全系数的影响，得出了一些有意义的结论。

大断面隧道，侧导洞宽度，安全系数，强度折减法

随着城镇化的推进，人口从农村流向城市，城市人流量增大，而城市能够规划的空间有限，城市空间变得拥堵。城市轨道交通由于其优于普通地面公共交通的快捷、舒适、环保等特点[1-3]，随着中国城市的发展，轨道交通的建设越来越常见。城市轨道交通主要包括地铁、轻轨、磁悬浮等多种类型[4,5]。地铁作为城市轨道交通系统的重要组成部分，截至2015年4月底，国内累计已有19个城市建成地铁87条线路。由于地铁折返线、地铁车站等的需要，大断面隧道的建设将不可避免[6]。王明年，关宝树等[7]采用模型试验和有限元方法对三车道公路隧道在不同构造应力作用下的力学行为进行了深入研究。霍卫华[8]针对软弱围岩大跨隧道，采用有限元方法对施工过程中围岩和支护结构体的受力状态进行了模拟计算，分析了双侧壁导坑法对各部开挖施工的影响。王应富等[9]针对四车道大跨高速公路隧道，有限元模拟了双侧壁导坑法整个施工过程，分析了围岩位移、初期支护和锚杆受力的动态变化，得出起始导洞和拱部开挖对隧道围岩的稳定起着更为重要的作用。本文以南京市轨道交通4号线一期工程花园路站—紫金山北站区间大断面隧道工程为背景，采用有限元数值计算方法模拟分析双侧壁导坑法导洞宽度对安全系数的影响，为以后类似工程提供参考与借鉴。

1　强度折减法原理

强度折减法就是将围岩物理力学性质参数中的黏聚力c和内摩擦角φ两个参数同时除以一个数值ω，对材料的强度进行折减，会有一个折减系数恰好能保证计算收敛，该值就是围岩的安全系数。

(1)

(2)

常用的M-C准则在主应力空间中的屈服面为六锥面，不利于数值计算，在大多数的数值分析中均使用德鲁克—普拉格(Dracker-Prager)准则，简称D-P准则，即:

(3)

在有限元强度折减计算分析中，安全系数定义如下：

(4)

其中,ω1为强度折减系数。

2　侧导洞宽度对安全系数的影响分析

开挖右导洞上部，等效塑性应变图见图1。

图1　右上导洞开挖不同宽度导洞下塑性应变图

右上导洞开挖后，导洞宽度对最后塑性区范围、形态影响不大。在右上导洞下部左右边角处有较大的塑性应变值，在导洞上部尖角处，有较大塑性应变值，潜在破坏区域朝开挖临空面呈三角形状，且随着导洞跨度变大，安全系数数值变小。不同开挖跨度开挖塑性应变最大值差别较小，先是减小而后又增大。

开挖左导洞上部，等效塑性应变图见图2。

图2　左上导洞开挖不同宽度导洞下塑性应变图

第二个导洞开挖后(左上)，采用四种不同跨度导洞开挖后的围岩潜在破坏区域位于中间未开挖部分，破坏形状呈X型，破坏区域上下边界高度随着侧导洞开挖跨度增加而变小。导洞X型破坏区域上边界位于开挖导洞上边角，随着导洞跨度的增加，破坏区域上边界下移。此外，在开挖导洞两侧边角处形成较大的塑性区，且随着导洞跨度的增加，塑性区由小变大，破坏面倾角与水平面夹角随着侧导洞开挖跨度的增加而变大，两条交叉的潜在破坏面变得规则。针对模拟得到的潜在破坏情况，在施工过程中采取相应的加固安全措施。在开挖边角处要设置锁脚锚杆。针对较破碎围岩，中部围岩可用锚杆进行加固。开挖右下部，等效塑性应变图见图3。

图3　右下导洞开挖不同宽度导洞下塑性应变图

开挖第三部分后的潜在破坏面如图3所示。潜在破坏面呈交叉不对称X型，且随着导洞跨度的增加，X交点位置高度降低。中间潜在破坏面左侧的下角点位置保持在左导洞右下边角处，位置高度不发生变化；左侧的上角点在开挖跨度较小时位于左侧上部的顶角处，随着侧导洞开挖跨度的增加，其位置高度降低，最终和左侧下角点重合；右侧的上下两个角点在侧导洞宽度较小时，分别位于右导洞的上顶角、下底角处，随着侧导洞开挖跨度的增加，位置高度逐渐向中间移动，因此潜在破坏面的高度会随着侧导洞开挖跨度的增加而变小，亦即破坏区变小。此外，左导洞左侧有斜向上的塑性区，塑性区范围大小随着侧导洞开挖跨度的增加先变大，然后变小，且塑性面有变得更加垂直的趋势。

3　结语

采用数值模拟对南京市轨道交通4号线一期工程花园路站—紫金山北站区间大断面隧道工程侧导洞宽度对安全系数的影响进行了分析，得出了以下结论：1)随着开挖的进行，隧道的安全系数逐渐降低。导洞宽度对安全系数的影响较大，导洞开挖顺序方案1中第二步开挖后(左右两侧上部导洞)，安全系数相差最大为17.29%。导洞宽度对潜在破坏面影响较大，导洞开挖顺序方案1中第二步～第四步开挖后的潜在破坏面差别较大。2)采用不同宽度导洞开挖时，初期支护的最大弯矩值具有相同的变化趋势。前三步开挖后变化不大，第四步(左下导洞)开挖后减小较大，第五步(中上导洞)开挖后又有较大的增加，第六步(中下导洞)开挖后再次减小。第四步(左下导洞)开挖后，初期支护最大弯矩值在不同宽度导洞开挖下相差很小，以此开挖步为边界，两侧有不同的趋势。前三步开挖后，侧导洞宽度越大，最大弯矩值越大，第五、六步(中上导洞、中下导洞)开挖后，侧导洞宽度越大，最大弯矩值越小。整个施工过程中的支护结构最大弯矩值，在侧导洞宽度占总导洞宽度30%时最小，侧导洞宽度占总导洞宽度40%时最大，最大值比最小值大20.93%。

[1]吴铭芳，章慧健，仇文革.大断面隧道深浅埋划分方法研究[J].现代隧道技术，2010,47(4):1-5.

[2]王明年，郭军，罗禄森，等.高速铁路大断面黄土隧道深浅埋分界深度研究[J].岩土力学，2010,31(4):1157-1162.

[3]郭小龙，谭忠盛.大断面黄土隧道深浅埋分界深度研究[J].土木工程学报，2015，48(S1):393-397.

[4]张佩，路德春，杜修力，等.深埋隧道与浅埋隧道划分方法研究[J].岩土工程学报，2013，35(S2):422-427.

[5]程小虎.土质隧道深浅埋分界的理论解析[J].地下空间与工程学报，2012,8(1):37-42.

[6]李奎，李斌，高波.深埋与浅埋隧道分界理论分析方法的研究[J].铁道建筑，2013(12):27-31.

[7]王明年，关宝树.三车道公路隧道在不同构造应力作用下的力学行为研究[J].岩土工程学报，1998，20(1):51-55.

[8]霍卫华.软岩大跨隧道施工力学研究[J].河北理工学院学报，2004,26(4):96-100.

[9]王应富，蒋树屏，张永兴.四车道隧道动态施工力学研究[J].公路交通科技，2005(6):134-137.

Analysis on the impact of lateral leading-hole width upon large subway cross-section tunnel construction

Bi Zhenshuai1Yu Haiying1Zhao Pengchong1Lu Wei2

(1.PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China;2.PLA73071Team,Xuzhou221400,China)

Taking Nanjing rail transit underground engineering as the background, the paper launches numerical simulation research for large-span shallow tunnel construction process by applying finite element software, analyzes the impact of lateral leading-hole width upon large cross-section tunnel construction safety coefficient, and finally obtains some meaningful conclusions.

large cross-section tunnel, lateral leading-hole width, safety coefficient, strength-reduction method

1009-6825(2016)21-0163-02

2016-05-11

毕振帅(1979- )，男，在读硕士

U459.2

A