大断面浅埋暗挖隧道施工稳定性分析及安全预警

李 茂 达

(山西建设投资集团有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

随着城市化进程的推进，各大城市均修建了地铁。虽然，我国已经积累了丰富的设计和施工经验，但面对地下岩土的复杂性还是发生了较多的安全事故[1]。为此国内外学者对隧道地表变形特征、围岩压力特征、开挖方法、支护结构类型及围岩参数等方面进行了研究分析。赵东平等[2]对大跨度隧道施工采用的CD法和CRD法进行了数值模拟，分析了不同施工方法下隧道围岩的应力场和位移场；刘建平等[3]通过对大断面隧道开挖引起地表变形的数值模拟，研究了采用不同施工方法开挖隧道引起地表变形的规律；张建斌[4]对大断面浅埋暗挖CRD法施工初期支护的安全性进行了研究，发现中隔墙上部与初期支护拱顶交接部位是CRD法施工初期支护的薄弱环节。因此，选择合理的施工方法成为大断面浅埋暗挖隧道施工技术的关键。本文借助ANSYS软件对该地铁施工采用CRD法和双侧壁导坑法进行数值模拟，通过对施工时围岩的位移场、应力场和支护结构内力的对比分析，结合现场双侧壁导坑法施工时的监测数据对围岩的稳定性进行分析，并提出合理化施工建议。

1 工程概况及数值模拟

某市地铁南停车场S1型断面浅埋暗挖段隧道为单洞双线隧道，长161.8 m，开挖宽度11.88 m，高度9.55 m，隧道最大埋深14.5 m，最小埋深5.4 m，结构支护形式为喷射混凝土、钢筋网、格栅钢架和二次衬砌组成的复合式衬砌。隧道地质条件较差，围岩级别为Ⅴ类，地表上层为黄土状杂填土，层厚介于1.0 m～4.1 m，其下为粉质粘土层，具有弱湿陷性。隧道主要穿越粉质粘土层，地下水类型为孔隙潜水，埋藏较深，对隧道施工和结构安全影响较小。

围岩及材料物理力学参数见表1。

表1 围岩及材料物理力学参数

本文ANSYS数值仿真采用地层结构模型，仅考虑土体自重应力，假定土体为连续、均匀、各向同性的介质。采用D-P屈服准则，按平面应变问题进行模拟。围岩采用实体单元模拟，喷射混凝土和钢拱架采用梁单元模拟，格栅钢架采用等效折算理论[5,6]。

2 计算结果的对比分析

2.1 围岩位移场对比分析

两种施工方法开挖引起的围岩竖向位移及各个导洞开挖引起的地表沉降如图1所示。

由图1,表2可知：1)CRD法开挖引起的地表沉降最大值为8.4 mm，位于隧道中心线左侧2 m附近；双侧壁导坑法开挖引起的地表最大沉降值为8.1 mm，位于隧道中心线上；双侧壁导坑法开挖地表沉降对称，易于采取加强措施。CRD法开挖引起的地表沉降槽宽度约为70 m，双侧壁导坑法开挖引起的地表沉降槽宽度约为60 m，是CRD法开挖的0.86倍，可以有效降低对临近建筑物的影响。2)CRD法开挖和双侧壁导坑法开挖引起的地表最大沉降值分别为16.0 mm和15.7 mm，两种方法开挖引起围岩竖向拱底隆起位移分别为21.9 mm和21.8 mm；由此可见，采用双侧壁导坑法、CRD法开挖对围岩地表最大沉降和拱底隆起位移影响不明显，具体对比如表2所示。

表2 CRD法开挖和双侧壁导坑法开挖引起的围岩变化表 mm

2.2 围岩应力场对比分析

两种开挖方法下引起的围岩竖向应力变化如图2所示。

由图2可知：两种方法开挖在临时竖撑和拱顶初期支护连接处出现明显的应力集中，仰拱和拱腰处也出现了应力集中。1)CRD法和双侧壁导坑法在开挖卸荷后，拱顶围岩应力逐渐减小，CRD法的应力最终稳定在0.21 MPa，双侧壁导坑法的应力最终稳定在0.07 MPa，是CRD法开挖应力的0.33倍；2)CRD法和双侧壁导坑法开挖引起的拱底应力均逐渐减小，CRD法的应力最终稳定在0.23 MPa，双侧壁导坑法的应力稳定在0.09 MPa，是CRD法开挖应力的0.4倍；3)整个开挖过程中,双侧壁导坑法开挖引起的临时横撑与初期支护连接处的应力均小于CRD法；临时横撑下部土体开挖均引起连接处应力的减小，但两种施工方法引起的变化规律基本一致，如表3所示。

表3 临时横撑与支护连接处应力成果表 MPa

2.3 支护结构内力状态对比分析

CRD法和双侧壁导坑法开挖后对整个支护结构的内力状态分别如图3,图4所示。

双侧壁导坑法和CRD法开挖在临时支护和初期支护连接处均出现应力集中。施工时,应加强临时支护与初期支护连接处的节点设计，确保施工安全。开挖过程中，CRD法开挖引起的最大弯矩为541.73 kN·m，最大轴力为1 300.0 kN。双侧壁导坑法引起的最大弯矩为387.84 kN·m，为CRD法的72%，最大轴力为1 160.0 kN，为双侧壁导坑法的0.89%；由此可知，双侧壁导坑法的支护结构的内力分布对称，其内力状态优于CRD法。

3 双侧壁导坑法监测成果分析

选取隧道K1+010断面1号导洞进行拱顶沉降和净空收敛监测，其拱顶沉降和收敛变化规律见图5,图6。

由图5,图6可知：1)隧道拱顶沉降值和净空收敛值的变化规律基本一致，可分为三个阶段：增长阶段，趋向平稳阶段和稳定阶段，符合“S”型沉降曲线。2)第1天～第28天，拱顶累计沉降为13.8 mm，沉降速率为-1.1 mm/d～0.2 mm/d；隧道收敛值为8.9 mm，收敛速率为-0.8 mm/d～1.3 mm/d；拱顶沉降和隧道收敛速率均变化较大。第28天～第35天，拱顶累计沉降为14.5 mm，拱顶沉降速率为-0.4 mm/d～-0.1 mm/d；隧道收敛值为9.5 mm，收敛速率为-0.6 mm/d～0.4 mm/d；拱顶沉降和隧道收敛逐渐趋于稳定。第35天之后，拱顶沉降和水平收敛达到稳定，其拱顶累计沉降为14.6 mm，隧道收敛值为9.7 mm；拱顶沉降和隧道收敛基本处于稳定状态。由此可知，双侧壁导坑法开挖引起的拱顶沉降和净空收敛集中发生在第1天～第28天，拱顶累计沉降值为总沉降值的94.5%，净空收敛值为收敛总值的91.8%，此阶段应提高监测频率，加强支护强度，确保施工安全。从第28天开始围岩变形逐渐趋于稳定，第28天时拱顶累计沉降值为最终累计沉降值的99.3%，收敛值为最终累计收敛值的97.9%，可拆除临时支撑，施作二次衬砌。

4 结语

通过对大断面隧道CRD法和双侧壁导坑法开挖过程的数值模拟，结合现场的监测数据，对比得出如下结论：

1)双侧壁导坑法开挖引起的拱顶最大沉降为15.7 mm，地表最大沉降为8.1 mm，地表沉降槽宽度约为60 m，是CRD法开挖引起拱顶最大沉降的0.98倍、地表最大沉降的0.96倍、地表沉降槽宽度的0.86倍，其值均小于CRD法开挖，对隧道开挖附近有建筑物的工程有明显的改善作用。

2)CRD法和双侧壁导坑法施工时，临时竖撑与拱部初期支护处、临时横撑与拱部初期支护处均易出现应力集中，可采用提高钢拱架节点的焊接质量或者增加支护结构局部厚度来改善受力。同时，现场施工时还应根据动态监测结果，围绕围岩动态变形理论适时的加强支护结构。

3)双侧壁导坑法开挖过程中支护结构的内力变化明显优于CRD法，其开挖引起的最大弯矩为387.84 kN·m，最大轴力为1 160.0 kN，是CRD法开挖引起最大弯矩的0.72倍，最大轴力的0.89倍。

4)通过对双侧壁导坑法施工阶段监测数据分析，可知拱顶沉降及净空收敛集中发生在第1天～第28天，累计沉降达到总沉降值的94.5%，收敛值达到总收敛值的91.8%。从第28天后，围岩变形趋于稳定，拱顶累计沉降值达到最终沉降值的96.7%，收敛值达到最终收敛值的91.7%，此时宜拆除临时支撑，施作二次衬砌。

综上所述，对于大断面浅埋暗挖隧道，采用双侧壁导坑法开挖引起的围岩位移场、应力场和支护结构内力状态均优于CRD法，在实际施工时应优先考虑采用双侧壁导坑法。