复杂环境下城市地铁隧道开挖方法的数值模拟分析

刘世平 张纪云 潘柯林

（1.河南理工大学土木工程学院；2.河南迅达爆破有限公司）

在地铁隧道施工中，浅埋暗挖法是最传统的施工方法，其原理是利用围岩或土层在开挖过程中未发生大面积塑性变形之前，通过及时采取主动、被动支护等措施，使支护结构与围岩或土层形成整体，从而达到隧道结构长期稳定的施工方法［1-3］。城市地铁施工采用矿山法进行开挖可以细分为中隔壁法、双侧壁导坑开挖法、台阶法等。面对不同施工条件采取不同施工方案，地质条件、隧道断面及埋深、周围环境条件及工程要求等都是影响确定地铁隧道施工方案的重要因素［4-7］。在开挖过程中施工方法的不同，对围岩或土层的影响程度及特点是不同的。通过对比不同施工方案下围岩或土层变形特征，可以研究不同施工方案在特定条件下的适用性，为施工方案的选择提供参考［8-9］。

1 工程概况

石家庄市城市轨道交通2 号线东岗头站—新世隆站区间起始于东岗头站，沿汇通路转入建设大街，自南向北敷设至新世隆站。区间沿线有多处建筑物、2 条管线以及1 条热力隧道。矿山法区间作为盾构区间和明挖区间的连接部分，周边施工环境复杂，矿山法开挖区间隧道平面图如图1 所示。矿山法区间采用马蹄形断面，开挖跨度和高度分别为8.4、8.47 m，支护结构采用复合式衬砌，初期支护采用喷射混凝土+格栅钢架措施，二次衬砌采用模筑钢筋混凝土，2 次衬砌之间设柔性防水层。矿山法区间起点里程YK29+825.343 m，矿山法区间终点里程YK29+848.843 m，长 23.5 m；矿 山 法 区 间 YK29 +825.343～YK29+848.843 m 段线路纵向坡度呈连续上坡，区间线路坡度由5‰转为2‰（竖曲线半径为5 000 m）。轨顶标高50.700～50.767 m，地面标高68.790～68.870 m，覆土厚度约12 m。根据详勘资料，矿山法区间采用深孔注浆、超前地质探孔、掌子面注浆等工程措施以保证施工安全。矿山法区间需满足二衬完成后盾构通过条件。

2 工程地质与水文地质

2.1 工程地质

拟建区间场地岩土层主要为滹沱河冲洪积形成，采用矿山法施工段拟建隧道右线YK29+825.343～YK29+848.843 m，顶板标高约为58.46 m，底板标高约为48.32 m。根据钻探现场揭露，该段自上而下分布土层依次主要为素填土、粉质黏土、粉细砂。因基底埋置较深，隧道侧壁主动土压力较大，粉细砂层自稳能力较差，施工过程中容易发生坍塌，施工时需要及时支护，施工作业时应加强支护，及时封闭，减少作业用水对土体的影响，同时应减少施工振动。

2.2 水文地质情况

根据勘察相关资料可知，地下水埋深约38 m，地下水类型为潜水，未见上层滞水，但由于大气降水、管道渗漏等原因，拟建区间场地内不排除局部存在上层滞水的可能性。

3 数值模拟方案

针对城市地铁隧道地下暗挖工程的特点，基于工程经验，拟定三台阶法和CRD法2种开挖方案进行数值计算模拟，并对数值模拟结果进行对比分析。根据该段工程资料使用FLAC3D软件5.0 版本建立数值计算模型：隧道埋深为12 m，上边界为地表面，左、右及下边界距离隧道3 倍洞径，宽度为56 m，高度为44 m，沿隧道轴向长度为20 m。2 种模拟开挖方案模型及开挖工序如图2所示，开挖循环进尺为2 m，上下台阶错距为4 m，三台阶法设定台阶高度为2.8 m，CRD法设定台阶高度为4.2 m。三台阶法模拟开挖工序：超前支护→上台阶开挖→上台阶支护→中台阶开挖→中台阶支护→下台阶开挖→下台阶支护。CRD 法模拟开挖工序：超前支护→左侧上部开挖→左侧上部支护→左侧下部开挖→左侧下部支护→右侧上部开挖→右侧上部支护→Ⅷ.右侧下部开挖→右侧下部支护。

数值计算模型采用实体单元；周围土体采用Mohr-Coloumb 本构；隧道支护结构只考虑初期支护的喷射混凝土，采用弹性模型；超前小导管注浆的效果采用提高隧道周边围岩物理力学参数的方式进行模拟。根据新奥法原理，将隧道二次衬砌作为安全储备，因此,在数值模拟中不考虑二次衬砌的影响。根据地质勘探和相关资料确定模型材料参数，如表1所示。

4 数值计算模拟结果对比分析

隧道开挖方案的评价指标应具有针对性和代表性，针对2种开挖方案，采用拱顶沉降位移、地面沉降位移、支护结构应力状态为评价指标，进行多指标的方案优化分析。

4.1 拱顶沉降位移

隧道拱顶沉降位移能反映出隧道结构的稳定性，选取该段距离开挖起始位置2 m 截面处拱顶位置，监测其拱顶沉降位移随掌子面推进距离的变化趋势，如图3所示。

当该段隧道进行初次开挖时，采用CRD 法对该段隧道进行模拟开挖所造成的拱顶沉降位移仅为1.61 mm，而采用三台阶法进行初次开挖所造成的隧道拱顶沉降位移为4.51 mm，采用CRD 法初次开挖所造成的拱顶沉降位移仅为三台阶法的35.7%，这是由于CRD 法初次开挖时的开挖面更小，所引发的拱顶沉降位移也更小。当掌子面推进距离达到20 m 时，采用CRD 法对隧道进行开挖，监测点拱顶沉降位移为8.26 mm，采用三台阶法对隧道进行开挖，监测点拱顶沉降位移达到19.03 mm，采用CRD法初次开挖所造成的拱顶沉降位移仅为三台阶法的43.4%。随着掌子面的推进，采用CRD 法进行模拟开挖时，拱顶沉降位移会更快收敛，而采用三台阶法进行模拟开挖时，拱顶沉降位移收敛所需的时间会更长。从拱顶沉降位移方面分析，CRD 法优于三台阶法。

4.2 地面沉降位移

地面沉降位移能反映出隧道开挖对于周围环境造成的影响。选取该段隧道2 m 截面处拱顶位置，监测地面沉降位移随掌子面推进距离的变化趋势，如图4 所示。通过图4 可以看出，随着掌子面的推进，隧道正上方地面沉降逐渐增大。当掌子面推进20 m时，CRD 法和三台阶法所造成的地面沉降位移分别为1.61 和7.43 mm，采用CRD 法进行模拟开挖引起的地面沉降仅为三台阶法的21.7%，且采用CRD法进行模拟开挖时，随着掌子面的推进，地面沉降位移变化趋势更为缓慢。从地面沉降位移方面分析，CRD 法优于三台阶法。

4.3 支护结构应力状态

隧道支护结构的应力状态可以反映出隧道支护结构发生变形的趋势和所处的受力状态。模拟开挖完成后，不同开挖方案支护结构的最大主应力和最小主应力云图如图5、图6 所示。可以看出，隧道拱顶和拱底主要处于受拉状态，隧道两侧拱腰主要出于受压状态。采用三台阶法和CRD 法模拟开挖完成后，支护结构最大主应力峰值分别为-4.45和-4.70 MPa，出现部位在两侧拱腰，2 种方案的差别不大，这是因为模拟工况中隧道上覆土层厚度相同，拱腰部位承压荷载一致；支护结构最小主应力峰值分别为1.14 和0.53 MPa，出现部位在拱底和拱顶部位，可以看出，采用CRD 法有效减小了支护结构的拉应力，从而减小竖向沉降，有利于隧道结构的稳定性。

5 结论

（1）通过对2 种方案拱顶沉降位移的对比可知，采用CRD 法可以有效降低隧道拱顶沉降位移，并减缓拱顶沉降的速度，提高隧道结构的稳定性。

（2）通过对2种方案地面沉降位移的对比可知，2种方案所造成的地面沉降位移都在允许范围之内，采用CRD 法时地面沉降位移收敛至1.61 mm，上覆土层会更早进入稳定状态，对周边环境影响更小。

（3）2 种方案支护结构的应力状态显示出隧道拱顶和拱底主要处于受拉状态，隧道两侧拱腰主要处于受压状态；由于上覆土层厚度相同，拱腰部位应力基本一致；CRD 法可以有效减小拱顶和拱底部位应力，使得隧道结构整体处于更为稳定的状态。