软弱富水地层浅埋暗挖隧道CD法施工数值模拟分析

张 杰

(福州理工学院 福建福州 350000)

0 引言

随着城市建设进程的加快，大量人口聚集到发展迅速的地区，地面交通拥堵现象愈加严重，所以亟需大力发展地下空间。由于交通线路受多方面因素的制约，往往会通过工程地质情况复杂的地层。 理论上，复杂地层中进行隧道施工是可行的[1-2]，许多学者也对其进行了相关的研究。

针对浅埋暗挖隧道施工进行研究的主要方法有：模型试验、数值计算、理论研究等。其中，数值计算方法是一个常用手段，部分学者采用数值计算方法对其工法进行研究[3]，为施工提出了不少有益建议；部分学者[4-5]对其支护结构进行研究，试图找到不同支护结构开挖时的受力变形特点，期望针对不同围岩配合使用与之相应的支护结构。部分学者[7-13]对开挖引起的围岩变形进行研究，试图拟合出一系列变形公式，在隧道施工前期，对围岩变形大小进行预测，以便预先对可能出现的施工问题提出应对措施。

以上研究成果对一般的软弱土层较适用，对于地下水较丰富的土层，施工过程中会出现许多问题[14]，例如，地下水渗流过大，严重影响施工进程；由于地下水的原因，支护结构变形及地表沉降影响的范围增大等。以往研究成果中，地下水一般作为非关键因素，而且由于地质情况不同，土层所体现出来的物理力学性质差别也很大[15]，很难得到一个普遍性结果。因此，本文针对软弱富水地层浅埋暗挖隧道CD法施工进行研究，可为同类工程项目设计、施工提供参考。

1 工程概况

莞惠城际轨道交通工程位于东莞市寮步镇，其里程DK32+300～DK32+927.303段采用了上下台阶四部分CD法施工，如图1所示。隧道埋深多为9m～15m，超前支护为3m的Ф42mm超前小导管，使用于隧道上导坑侧壁及拱部180°范围内，环距0.33m，纵距1m；开挖循环进尺0.5m，上台阶5m～7m，其预留核心土2m～3m，左右导坑工作面纵向间距8m～10m，当采用双线施工时，开挖面前后至少错开15m；初期支护采用纵距0.5m的I20a钢架(设两根3m的Ф42mm锁脚锚杆，纵向每米设置一根3.5m的Ф25mm系统径向砂浆锚杆)及厚度0.3m的C20网喷混凝土(150mm×150mm的Ф8mm钢筋网)；永久支护为0.55m模筑衬砌。

图1 CD法施工工法图

1.1 工程地质

取强风化(W3)、全风化(W4)两组原状土进行土工试验[16]，所得结果如表1所示。

表1 混合片麻岩主要指标汇总表

1.2 水文地质

地质勘察期间，地下水初见水位3.1m，稳定水位3.4m～7.5m，无腐蚀性，水质较好，对钢筋混凝土结构和混凝土结构无腐蚀性。

2 数值计算

2.1 模型的建立

本文采用ABAQUS有限元计算软件进行三维模拟，图2为模型平面示意图，模型尺寸2.6m×1.6m×1.6m，隧道埋深0.4m，地下水埋深0.2m。使用厚度为1cm的喷混凝土和间隔8cm的拱架进行支护。模型底面约束3个方向位移，顶面不施加约束，剩余各表面仅约束法向位移。拱架和喷混凝土假设为弹性材料，钢架材料属性采用梁单元，喷混凝土采用均质实体单元进行模拟。图3为模型网格划分示意图。

图2 计算模型平面示意图

(a)土体网格划分 (b)支护结构网格划分图3 网格划分示意图

2.2 参数的选取

模型土体材料及支护结构的主要参数指标[17]，如表2所示。

表2 模型用土及支护结构的主要指标

2.3 计算结果及分析

(1)孔隙水压力场分析

孔隙水压力随隧道开挖改变较显著，开挖结束稳定后孔隙水压力场云图如图4所示。整体呈现“滤斗状”，开挖区以外0D～2.5D内(D为隧洞宽)孔隙水压力改变较明显，之外变化变缓。隧道开挖引起地下水位线下降，从而增大了土体有效应力，在渗流场和应力场共同作用下，地表沉降明显增大。地表沉降由于地下水渗流的原因，范围也有所增大，所以在实际监测过程中，应不断根据数据情况对监测范围进行调整以覆盖整个影响区域。

图4 开挖稳定后孔隙水压力场云图(单位：Pa)

(2)土体位移场分析

针对拱脚、边墙和墙脚3个关键点，分析其水平位移变化，地表、拱顶和拱底3个关键点，分析其竖直位移变化。图5为位移测线分布示意图，L1、L2、L3分别为拱脚、边墙、墙脚水平位移测线；L4、L5、L6、L7分别为地表沉降横向测线、地表沉降纵向测线、拱顶沉降测线、拱底隆起测线。

(a)水平位移测线 (b)竖直位移测线图5 测线分布图

根据水平位移随开挖的分布曲线(图6)可知，开挖深度至32cm以后，深度20cm处的拱脚、边墙、墙脚水平位移达到最大并逐渐趋于稳定，最大值分别是0.431mm、0.458mm、0.059mm，中隔墙的拆除对水平位移影响不大。

边墙处水平位移最大，所以将开挖深度20cm处测点的边墙水平位移计算结果进行处理，得到施工过程中4个分区分别产生的水平位移增量值及其百分比，并将汇总结果列于表3。据统计计算，②区开挖所产生的沉降值最多，①区其次，③区、④区最少，中隔墙的拆除对边墙水平位移影响非常小。

(a) 拱脚水平位移沿L1的分布曲线(纵向)

(b) 边墙水平位移沿L2的分布曲线(纵向)

(c) 墙脚水平位移沿L3的分布曲线(纵向)图6 水平位移随开挖的分布曲线表3 各开挖分区产生的边墙水平位移增量及百分比

①区开挖②区开挖④区开挖拆除中隔墙0.1170.1520.0860.00325.55%33.18%18.78%0.66%

隧道开挖至20cm后，地表沉降横向分布曲线，如图7所示，可用Peck公式进行模拟，最大竖直沉降逐渐稳定，中隔墙的拆除也会引起较少的地表沉降。沉降槽随地下水渗流的影响范围有所增加，地表沉降最大值也有所增大并偏向于先施工侧，最大值为1.42mm，按模型相似比换算成实际工程沉降值35.5mm，大于浅埋暗挖法施工质量控制标准规定的30mm，所以开挖前应采用超前支护手段。

图7 地表沉降沿L4的分布曲线(横向)

绘制地表沉降纵向分布曲线，如图8所示，图中可知，拆除中隔墙会对距离开挖工作面-D～2D范围以内的地表产生影响，引起的地表沉降最大为1.5mm，所以施工中应严格控制隔墙的纵向长度，防止过早拆除隔墙影响开挖面稳定性。

图8 地表沉降沿L2的分布曲线(纵向)

图9 地表沉降随开挖变化曲线

开挖至测点对应的工作面之前，沉降值高达2.14mm，如图9所示，占最终沉降量的79.4%，开挖-1D～0D段时，地表沉降量占63%，所以软弱富水地层中施工应预先进行较强的超前支护手段。

将开挖4个分区产生的深度20cm处地表沉降结果统计汇总于表4中。由表中数据可知，沉降量从大到小依次为：①区>②区>④区>③区，中隔墙的拆除会造成一定的沉降，所以①区开挖前应预先施加较强的超前支护措施，开挖完成应立刻封闭开挖面。

表4 各开挖步产生的地表沉降

开挖至24cm之后，20cm深度处的拱顶沉降值逐渐趋于稳定如图10所示，最终沉降值为1.92mm，同一断面上地表最大沉降为1.42mm，两者相差不大。中隔墙的拆除对拱顶影响较小。

图10 拱顶沉降沿L4的分布曲线(纵向)

将开挖4个分区所产生的深度20cm处拱顶沉降值统计结果汇总于表5。由表中数据可知，开挖引起的沉降规律与地表沉降相似，所以①区开挖前应预先施加较强的超前支护，开挖完成应立刻封闭开挖面。

表5 各开挖步产生的拱顶沉降

开挖至24cm后，20cm深度处的拱底隆起值逐渐趋于稳定，如图11所示。将开挖4个分区所引起的深度20cm处的拱底隆起值汇总于表6中。开挖④区引起的隆起值最大，中隔墙的拆除造成的影响较小，所以推迟④区开挖时间，可有效防止拱底隆起值超标。

图11 拱底隆起沿L5的分布曲线(纵向)表6 各分区产生的拱底隆起值

①区开挖②区开挖③区开挖④区开挖拆除中隔墙0.4220.3370.5190.6450.04421.45%17.13%26.39%32.79%2.24%

(3)支护结构受力分析

深度20cm处拱架在未安装完毕之前，隔墙拱架主要承受压力，部分区域有拉力存在，安装完毕之后，隔墙拱架只承受压力，说明隔墙拱架设计较合理。隔墙拱架的安装对拱架弯矩值影响较大，轴力值影响较小，特别是拱架拱顶处。拱架受力状态随着隧道开挖影响较明显，影响区域为1D～2D。隔墙拱架的拆除对其余部分内力造成显著的影响，开挖稳定后如图12所示，①区、④区存在最大弯矩值，②区、③区存在较小弯矩值并有负弯矩；④区轴力值最大，②区、③区轴力值较小，且存在拉力。

(a)弯矩图(N·m) (b)轴力图(N)图12 拱架随开挖的变形云图

(4)塑性破坏区

隧道开挖过程中，围岩塑性区从边墙处向外延伸，开挖至36cm深度处逐渐趋于稳定；隔墙拱架的拆除增大了围岩塑性破坏。从围岩塑性破坏云图，由图13可以看出，开挖稳定后，开挖向右侧边墙围岩破坏明显大于左侧，两侧边墙处破坏最大，明显大于拱底和拱顶；②区和③区围岩破坏最大，远大于①区和④区，①区及④区部分土体未发生塑性破坏，这有可能软弱富水地层围岩强度较小，在开挖①区时，围压作用下形成了侧向的内拱。

图13 开挖稳定后围岩塑性区

3 结论

(1)隧道开挖区以外0D～2.5D内(D为隧洞宽)孔隙水压力改变较明显，所以在实际监测过程中，应不断根据数据情况对监测范围进行调整以覆盖整个影响区域。

(2)拆除中隔墙对距离开挖工作面-D～2D范围以内的地表有一定影响，所以施工中应严格控制隔墙的纵向长度，防止过早拆除隔墙影响开挖面稳定性。

(3)采用CD法施工时，④区开挖引起的隆起值较大，所以推迟④区开挖时间，可有效防止拱底隆起值超标。

(4)拱架受力状态随着隧道开挖影响较明显，影响区域为1D～2D。隔墙拱架的拆除对其余部分内力造成显著的影响，开挖稳定后，①区、④区存在最大弯矩值，②区、③区存在较小弯矩值并有负弯矩；④区轴力值最大，②区、③区轴力值较小，且存在拉力。

(5)开挖稳定后，开挖向右侧边墙围岩破坏明显大于左侧，两侧边墙处破坏最大，明显大于拱底和拱顶；②区和③区围岩破坏最大，远大于①区和④区，①区及④区部分土体未发生塑性破坏，这有可能软弱富水地层围岩强度较小，在开挖①区时，围压作用下形成了侧向的内拱。