新意法与浅埋暗挖法施工隧道力学效应的对比分析

蔡东明

(北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082)

引言

新意法(ADECO-RS)与浅埋暗挖法最大的区别就在于对地层变形反应的分析方式和控制方式不同[1]。 浅埋暗挖法对地层变形反应的分析仅限于掌子面的后方， 仅对洞周收敛和地表沉降进行分析； 新意法则不仅对掌子面后方的地层变形反应(收敛)进行分析， 而且更注重对掌子面及掌子面前方地层的变形反应(掌子面挤出变形和预收敛)进行分析。 两种方法对地层变形反应的控制方式也不同: 浅埋暗挖法重视前方轮廓的预加固， 调动掌子面部分围岩自承能力， 给掌子面后方的围岩施加径向约束， 为被动控制变形方法；新意法则提出了保护超前核心围岩， 充分调动和发挥超前核心围岩的自承能力， 通过加固掌子面超前核心土体， 提高其刚度和强度， 对掌子面前方的土体提供超前约束作用， 从而控制掌子面超前核心岩土的变形及防止围岩失稳塌方， 为主动控制变形方法， 如图1 所示。

浅埋暗挖法已在我国城市地铁开挖及浅埋工程中得到了广泛的应用， 但在城市深埋地下工程， 尤其是地下水丰富的工程中， 浅埋暗挖法有一定的局限性。 目前其仍不适用于带水施工作业， 无法有效解决在含承压水地层中构筑暗挖车站和区间的难题， 需要寻求一种新的施工及设计方法来指导深埋地下工程的施工。 新意法的理念能够很好地解决这一点， 有必要对两种工法进行对比分析， 尤其是力学效应方面的对比分析， 为城市深埋暗挖隧道的设计和施工提供依据和参考。

1 有限元建模及模拟方法

1.1 模型建立及土体参数

选用FLAC3D 软件模拟了两种工法开挖隧道， 隧道覆土厚度为12m， 洞径为6m，H/D＝2，模型的几何尺寸为42m×20m×30m， 见图2。 土体、 洞周加固土体及超前核心土均采用Mohr-Coulomb 模型。 城市地铁隧道采用暗挖法施工时一般要求二次衬砌在围岩和初期支护变形基本稳定后施作， 数值计算中衬砌单元采用FLAC3D 中的shell 单元， 模拟真实隧道开挖过程， 在隧道开挖后释放应力一段时间再施加衬砌单元。 土体计算参数见表1。

图2 计算模型Fig.2 Computational model

表1 土体参数Tab.1 Soils parameters

1.2 模拟方法及计算模型

由于不同开挖方式对浅埋暗挖法的计算结果有影响， 为了更好地比较新意法和浅埋暗挖法，模拟计算时对浅埋暗挖法选取两种不同开挖模式。 浅埋暗挖法对隧道轮廓超前加固8m， 新意法对超前核心土及隧道轮廓超前加固8m， 隧道开挖进尺均为4m。 数值计算都是在相同的开挖进尺、 相同的支护时机， 即相同的应力释放条件下进行的。 三种模型分别为: 全断面开挖浅埋暗挖法、 新意法、 上下台阶开挖浅埋暗挖法。 见图3。

图3 模拟计算Fig.3 Simulation calculation

2 力学效应对比分析

从地表横向、 纵向变形、 掌子面的挤出变形及塑性区等方面分析新意法和两种开挖模式浅埋暗挖法力学效应的差异性。

2.1 地层变形对比分析

1. 横向变形

(1)地层变形。 图4 为不同工法对应的地层横向变形云图， 由图可知， 三种模型的地层变形模式基本相同。 全断面开挖的浅埋暗挖法引起隧道拱顶最大沉降值为53mm， 地表最大沉降值为27mm； 新意法引起隧道拱顶最大沉降值为27.32mm， 地表最大沉降值为16mm； 上下台阶开挖的浅埋暗挖法引起隧道拱顶最大沉降值为26.88mm， 地表最大沉降值为12.53mm。 分析可以得到， 超前加固核心土和上下台阶分布开挖均可以有效地控制横向变形， 控制效果明显。 通过图5 和图6 的对比结果可知， 超前加固核心土对拱顶和地表变形有较大影响。

图4 掌子面正上方地层变形云图(单位： m)Fig.4 Stratum deformation nephogram just above the tunnel face (unit: m)

(2)横向地表沉降。 图5 为掌子面上方横向地表沉降曲线， 由图可知， 三种模型引起地表沉降曲线的形态与Peck 曲线相似， 均为正态分布型。 地表沉降曲线以隧道中轴线为对称轴， 轴线上方沉降值最大， 随着与隧道中心线距离的增加而逐渐减小， 减小过程中， 变化率由大到小， 最后曲线逐渐平稳。 全断面开挖的浅埋暗挖法引起地表最大沉降值为27mm， 沉降槽宽度为30m；新意法引起地表最大沉降值为16mm， 沉降槽宽度为24m； 上下台阶开挖的浅埋暗挖法引起地表最大沉降值为12.53mm， 沉降槽宽度为20m。 分析可以得到， 新意法和上下台阶开挖浅埋暗挖法均能有效控制横向地表沉降， 而且越靠近隧道轴线效果越明显。

图5 掌子面正上方地表沉降Fig.5 Surface settlement trough just above the tunnel face

2. 纵向变形

(1)地层变形。 图6 为不同模型对应的地层纵向变形云图， 由图可知， 全断面开挖浅埋暗挖法引起隧道拱顶最大沉降值为85mm。 新意法引起隧道拱顶最大沉降值为67mm。 上下台阶开挖浅埋暗挖法引起隧道拱顶最大沉降值为61mm。除隧道拱顶最大沉降值存在明显差别外， 三种模型的地层变形形态也存在差异， 全断面开挖浅埋暗挖法的地层变形形状宽而高， 新意法的地层变形形状窄而高， 上下台阶开挖浅埋暗挖法的地层变形形状宽而低。 通过上面的分析可知， 超前加固核心土不仅可以有效地控制地层横向变形， 还能有效地控制纵向变形， 而上下台阶开挖浅埋暗挖法只能控制横向变形。

(2)地表纵向沉降。 图7 为三种模型对应的隧道中轴线上的拱顶纵向沉降曲线， 新意法引起的拱顶沉降曲线形态与另外两种模型的曲线形状相差较大。 新意法引起的拱顶沉降曲线趋于陡峭， 随着掌子面与测点距离逐渐增加， 拱顶的最大位移快速减小到微小位移， 掌子面前方3m 处就能达到微小位移。 而另外两种模型引起的拱顶沉降曲线趋于平缓， 随着掌子面与测点距离逐渐增加， 拱顶的最大位移缓慢减小到微小位移， 掌子面前方5m 处才能达到微小位移。 这也进一步说明新意法控制隧道轴线方向的地层位移效果最好。

图6 纵向地层变形云图(单位： m)Fig.6 Longitudinal deformation nephogram (unit: m)

图7 拱顶纵向沉降Fig.7 Vertical settlement of vault

3. 掌子面挤出变形

图8 为不同模型对应的掌子面挤出变形云图，由图可知， 全断面开挖浅埋暗挖法引起隧道掌子面最大挤出变形值为87mm， 掌子面发生明显水平向挤出变形的范围为5m； 新意法引起隧道掌子面最大挤出变形值为17mm， 掌子面发生明显水平向挤出变形的范围为2m； 上下台阶开挖浅埋暗挖法引起隧道掌子面最大挤出变形值为38.8mm， 掌子面发生明显水平向挤出变形的范围为3m。 由此可知， 超前加固核心土控制掌子面挤出变形的效果最好， 该工法最能保证掌子面的稳定性。

图8 掌子变形云图(单位： m)Fig.8 Deformation nephogram of tunnel face(unit: m)

图9 为不同模型对应的掌子中轴线上土体挤出变形与隧道高度的变化关系曲线。 从图9可以明显看出， 不同模型对应的关系曲线的形态差别较大。 新意法引起隧道掌子的挤出变形曲近似垂线， 这说明超前加固核心土体发挥整体承载能力， 不容易发生局部破坏。 全断面开挖浅埋暗挖法引起掌子面挤出变形曲线明显向右凸， 最大挤出变形发生在隧道的底部， 这样会导致掌子面底部的土体首先塌落破坏。 上下台阶开挖浅埋暗挖法引起隧道掌子面挤出变形曲线的形态表现为: 上台阶对应曲线明显向右凸， 最大挤出变形发生在上台阶中部， 下台阶对应的关系曲线近似垂线。 这说明上下台阶开挖掌子面的破坏将是从上部开始， 上台阶局部土体容易发生失稳。 由此可知， 新意法在控制掌子面变形及保证掌子面稳定性方面具有较强的优势。

图9 掌子面的挤出变形与隧道高度的变化关系Fig.9 Change relationship between extrusion deformation of tunnel face and Tunnel height

2.2 塑性区的对比分析

图10 为不同开挖模型对应的隧道周边土体的塑性区， 由图可知， 全断面开挖浅埋暗挖法掌子面横向和纵向大面积出现剪切破坏， 横向塑性区的范围为5m， 纵向塑性区的范围为6m。 新意法掌子面横向塑性区的范围为3m， 纵向塑性区的范围为2m， 这说明整个掌子面在开挖后经过应力重分布， 形成塑性区域的范围很小， 大部分超前核心土仍然处于弹性变形阶段。 上下台阶开挖的浅埋暗挖法横向塑性区的范围为3m， 纵向塑性区的范围为4m。 由此可知， 新意法最能保证掌子面的稳定性。

图10 塑性区Fig.10 Soil plastic zone

3 结论

1. 模型计算表明地层横向变形控制效果:上下台阶浅埋暗挖法＞新意法＞全断面浅埋暗挖法， 分步开挖较全断面开挖效果明显； 横向地表沉降: 上下台阶浅埋暗挖法比新意法减少22%，比全断面浅埋暗挖法少54%。

2. 纵向弯形: 新意法引起的拱顶沉降曲线趋于陡峭， 在掌子面前方3m 处就能达到微小位移。 浅埋暗挖两种开挖模式引起的拱顶沉降曲线趋于平缓， 在掌子面前方5m 处才能达到微小位移。

3. 掌子面挤出变形量: 上下台阶浅埋暗挖法是新意法的2.3 倍， 全断面浅埋暗挖法是新意法的5.1 倍； 明显水平向挤出变形的范围: 上下台阶浅埋暗挖法是新意法的1.5 倍， 全断面浅埋暗挖法是新意法的2.5 倍。

4. 塑性区范围: 横向范围内上下台阶浅埋暗挖法和新意法一致， 均为全断面浅埋暗挖法的3/5； 纵向范围内: 上下台阶浅埋暗挖法是新意法的2 倍， 全剖面浅埋暗挖法是新意法的2.5 倍。

5. 与新意法相比， 分步开挖的浅埋暗挖法控制隧道的横向变形效果较好， 塑性区横向范围两者基本一致； 新意法隧道塑性区纵向范围更小， 在掌子面挤出变形、 隧道纵向变形控制效果上优势更明显。