大断面地铁隧道开挖不同支护因素影响研究

马晓亮，杨晓东

（中交路桥建设有限公司，北京100027）

1 引言

近年来，由于现场实际条件的复杂性，地铁隧道开挖引起的地表变形受很多因素影响，除岩土体自身状况外，支护参数的选择、施作时机、合理的施工工法、开挖进尺等因素也对其有着重要影响。由于岩土体介质具有非均质、非连续、非线性的特点，目前数值模拟方法在研究复杂地下工程问题时具有较好的适用性【1】。本文结合实际工程，借助FLAC3D 软件，针对大断面隧道开挖不同支护因素的影响进行研究。

2 工程概况

哈尔滨地铁3 号线二期工程湘江路—会展中心区间（简称湘会区间）地铁隧道暗挖段工程自湘江路站起，自南向北沿红旗大街敷设至会展中心站止，全长721.633m，采用浅埋暗挖法施工。大断面隧道设计开挖尺寸为宽14.15m、高10.62m、长10m，顶板埋深约10.9m，底板埋深约21.5m，穿越地层主要为粉质黏土层、细中砂、中砂含水层、粗砂含水层。

3 计算模型及网格划分

根据工程地质的简化模型，按照各层土所属的类别，结合本工程相关土体的具体特性，选定模拟各层土体的相关参数，具体参数见表1。

表1 土体参数表

根据工程经验与圣维南原理，模型长、宽、高分别取130m、10m、65m。为保证计算精度，隧道部分及周边受开挖影响较大的区域，网格单元的边长均为1～2m，靠近边界受开挖扰动较小的区域，网格单元边长为3～5m。为了防止角点处产生过大的应力集中，在局部又进行了网格细化处理，模型共划分为45 920 单元、49 077 节点、55 个分组，整体计算模型与网格划分情况如图1 所示。

图1 计算模型及网格划分

4 不同支护因素影响的研究

在对支护因素影响进行分析时，将所有因素全部考虑进去是不切实际的，本节只对其中影响较大的超前支护范围、开挖进尺、支护时间及衬砌刚度进行研究，对比分析土体沉降的不同表现。

4.1 超前支护范围的影响

在隧道施工中，掌子面向隧道内移动时会导致地表沉降，而超前预注浆可以对这部分沉降进行有效的抑制。超前支护范围的变化通过向隧道上方不同深度土体注浆来实现【2】，分别对注浆范围为1.5m、2.5m、3.5m 的情况进行模拟分析。

注浆范围变化时的地表沉降曲线如图2 所示，随着拱顶注浆范围的增加，最大沉降值略微减小，且变化幅度有所减小，沉降槽宽度没有改变，沉降曲线整体变化趋势不受注浆范围的影响。

图2 不同注浆范围下地表沉降曲线

4.2 开挖进尺的影响

开挖进尺是影响隧道岩土体开挖后再平衡的重要因素，其值不仅决定着地面下沉及拱顶沉降，而且也影响开挖面的稳定，尤其是对围岩等级较差的地层，对于开挖进尺的选择需要考虑多种因素的影响【3】，本节针对工程中常见的开挖进尺参数进行模拟分析，分别取开挖进尺为0.5m、1m、2m。

不同开挖进尺下的地表沉降曲线如图3 所示，随着开挖进尺的增大，地表沉降量急剧增大，且增加幅度有所增大，同时沉降槽宽度也随之增大，由此可知，宜采用小开挖进尺来减小地表沉降量，控制地表沉降范围。

图3 不同开挖进尺下地表沉降曲线

4.3 支护时间的影响

新奥法强调围岩和支护结构共同受力，对围岩适时支护，从而达到充分利用围岩自身强度的目的【4】。支护时间的选择会严重影响围岩的稳定以及地表的沉降。本节通过改变支护结构施作完成运行的计算步（60 步、120 步、180 步）来模拟支护时间的影响。

不同支护时间下的地表沉降曲线如图4 所示，随着支护结构施作完成所用时间的增长，地表沉降急剧增大，沉降槽宽度也相应增大，且变化幅度增加，因而需在隧道开挖完成后及时施作支护结构以防产生过大的地表沉降。

图4 不同支护时间下地表沉降曲线

4.4 初衬刚度的影响

基于新奥法关于围岩与支护共同作用的原理，适当改变支护结构刚度，使围岩和支护结构变形相适应，可以有效地降低围岩应力，达到安全施工、节约成本的目的【5】。对于复合式衬砌，一般由初期支护来完全承受围岩荷载，二次衬砌作为储备以抵抗随机荷载，因此，初期支护的设计刚度对地层的变形和地面沉降有较大的影响。本节分别选取弹性模量为14kPa、21kPa、28kPa 3 种衬砌进行衬砌刚度模拟。

不同衬砌刚度下的地表沉降曲线如图5 所示，随着初衬刚度的增加，最大地表沉降逐渐减小，沉降曲线变化趋势以及沉降槽宽度不受影响，在工程中应根据实际条件对衬砌刚度进行合理的控制。

5 结论

本文以哈尔滨地铁3 号线湘江路—会展中心区间大断面地铁隧道暗挖段工程为背景，针对不同的开挖、支护方案建立数值模型，调整断面支护参数和施工方案，得出了调整后的地表沉降分布规律。

1）开挖进尺和支护时间的改变对最大地表沉降有显著影响，沉降槽的宽度也随之发生不同程度的变化，而超前支护范围和衬砌刚度的变化仅造成最大地表沉降的小幅改变，对沉降槽的宽度没有影响。

2）在施工中，应先控制开挖进尺和支护时间，让隧道支护及时闭合。

3）隧道开挖的横向沉降曲线变化趋势不受上述4 个支护因素变化的影响。

4）模拟结果和工程经验判断较一致，符合“严注浆，强支护，短开挖，快封闭”的要求，可为有效控制地表沉降提供有力参考。

图5 不同初衬刚度下地表沉降曲线