大跨度浅埋暗挖隧道安全评估及施工力学分析

李 鹏

(湖北省城建设计院股份有限公司轨道交通设计院 武汉 430051)

作为城市交通的重要组成部份，城市轨道交通正在我国各城市蓬勃、快速地发展。一般而言，在软土地区建设地铁区间隧道多采用盾构法，但在地铁渡线范围，区间隧道断面形式多样，开挖跨度大，周边环境复杂，采用矿山法施工较为适宜。对于具有埋深浅、覆跨比及高跨比小、开挖断面大等特点且周边建(构)筑物与地下管线密集的渡线段区间隧道，控制其暗挖施工安全对周边环境的影响意义重大。

为确保地铁施工及周边建(构)筑物、道路及地下管线安全，本文以武汉市地铁5号线武汉火车站站后折返线区间隧道为例，采用数值模拟技术进行结构受力及施工力学分析，以期为设计施工提供借鉴。

1 项目概况

武汉火车站为地铁5号线终点站，站后设置停车线区间，区间线间距5 m，标准段限界净宽10.7 m(转辙机处12 m)；无地面出风井的条件，区间排风由武汉火车站统筹考虑。为避免明挖施工占用高铁武汉火车站东广场(停车场)交通疏解场地，部分交叉渡线及停车线(长度263.20 m)拟采用暗挖法施工，隧道位置及结构平面见图1、图2。

图1 区间隧道位置

图2 区间隧道结构平面布置图

2 工程地质及水文地质

2.1 工程地质

工程场区为武汉剥蚀堆积垅岗区(相当于长江III级阶地)，区间隧道穿越地层主要为15a-2中风化砂质泥岩、15a-a粗砂岩、20c-2中风化泥岩，隧道上部主要为1-1杂填土、1-2素填土、10-1粉质黏土、15a-1强风化砂质粉泥岩、20a-1强风化泥岩。隧道最大纵坡0.2%，覆土厚度14.8～17.8 m，隧道拱顶为VI级围岩，拱底为V级围岩，穿越地层为V/VI围岩。岩土物理力学参数设计建议值见表1。

2.2 水文地质

场区无地表水，地下水分为上层滞水、基岩裂隙水和孔隙潜水，对混凝土及混凝土中钢筋具微腐蚀性，水文地质参数设计建议值见表1。

表1 土层结构及物理力学材料参数

3 施工工法选择及衬砌参数拟定

区间隧道覆土浅，穿越地层围岩级别V/VI级，且位于市政道路下方、紧临18层民房、杨春湖售票大厅及高铁武汉站匝道桩基，故选择安全、合理的施工工法及衬砌参数很关键。软弱围岩大跨隧道的开挖方法主要有台阶(分部)法、双侧壁导坑法、交叉中隔壁(CRD)法、中壁工法(CD法)等[1]，相关研究及工程实践表明[2-5]，双侧壁导坑法能更好地发挥围岩自身承载能力和初期衬砌支护作用，围岩应力、位移控制效果好；CRD法对隧道边墙水平位移控制较好，但对顶部围岩沉降控制不如双侧壁导坑法有效；其他2种方法沉降控制效果较差。

经初步分析，双侧壁导坑法更适合本区间隧道施工。根据工程水文地质、埋深及洞室跨径情况，基于工程类比法[6-8]，隧道开挖断面示意见图3，支护参数及辅助措施见表2。

图3 隧道开挖断面示意

表2 隧道支护参数及辅助措施

4 隧道结构安全性评估

4.1 分析模型

隧道最大开挖断面(转辙机处)宽13.9 m、高10.9 m，拟采用双侧壁导坑法施工。施工中临时支撑拆除后对隧道结构安全性与围岩稳定性具有很大的影响，很有必要进行隧道结构安全性评估。采用荷载-结构模型进行数值模拟计算，临时支撑中的锚喷层采用beam3单元模拟，地层对支护结构的约束采用非线性弹簧单元combin39模拟，初支采用二维梁单元模拟。

4.2 计算条件

计算中结构均按素混凝土考虑，根据计算内力进行配筋计算，并根据实际配筋面积的计算结果，分析评价结构安全性能，计算参数见表3。

表3 结构材料参数

围岩压力荷载依据《地铁设计规范》及《铁路隧道设计规范》，按浅埋隧道计算。结构安全系数计算按钢筋混凝土矩形截面的大、小偏心受压构件计算。考虑初期支护承受全部的土压荷载，实际配筋采用格栅钢架。

4.3 计算结果

4.3.1拆除临时支撑前

临时内支撑拆除前，初期支护受力、安全系数分别见图4、表4。

图4 临时内撑拆除前初期支护弯矩图及轴力图

表4 拆除临时支撑前隧道断面安全系数

4.3.2拆除临时支撑后

临时内支撑拆除后，初期支护受力、安全系数分别见图5、表5。

图5 临时内撑拆除后初期支护弯矩及轴力图

表5 拆除临时支撑后隧道断面安全系数

以上计算结果显示，当配筋量按实际的格栅钢架配筋时，结构的各部位均能满足安全性要求。拆除临时支撑后，结构还是完全能够满足安全性要求，最不利位置仍在拱顶，施工中应加以注意。

5 开挖施工力学分析

针对区间大断面隧道(开挖面积达122 m2)，采用地层-结构模型数值模拟双侧壁导坑法开挖中围岩及支护结构的力学行为，验算衬砌强度，研究地表横向沉降曲线，以确保隧道施工中的安全性。计算采用的地层、结构材料参数见表1、表2。

5.1 施工过程模拟

模拟双侧壁导坑法施作全过程，采取实体单元模拟初期支护及临时中隔壁，cable单元模拟锚杆。隧道计算埋深15 m，在隧道纵向(Y轴)取30 m，隧道横向(X轴)取100 m，竖直方向(Z轴)取70 m，计算范围满足土体开挖影响(3～5)D。开挖轴线方向以0.6 m为1个网格，模拟施工中的开挖步距。三维模型网格图、衬砌及锚杆单元见图6、图7。

图6 计算模型图

图7 隧道衬砌及锚杆单元示意图

模拟各个开挖掌子面推进以0.6 m为1个进尺，上、下台阶长度3 m，拆除中隔壁步距为9 m。

5.2 主要计算结果

双侧壁导坑工法施工过程中锚杆轴力、衬砌应力及土体变形动态变化效果模拟见表6。

表6 开挖施工力学计算结果

续表6

5.3 计算结果分析

1) 分析数据显示，左上台阶土体(1洞)开挖拱顶沉降值12.4 mm，初期支护最大拉应力值达到0.31 MPa，锚杆轴力53.4 kN；左下台阶土体(2洞)开挖拱顶沉降值13.4 mm，初期支护最大拉应力为0.86 MPa，锚杆轴力49.8 kN；右上台阶土体(3洞)开挖拱顶沉降14.0 mm，初期支护最大拉应力为3.07 MPa出现在底部临时横撑上，锚杆轴力48.4 kN。右下台阶土体(4洞)开挖拱顶沉降14.6 mm，初期支护最大拉应力3.09 MPa出现在底部临时横撑上，锚杆轴力12.6 kN。中部上、下导坑土体开挖(5、6洞)后拱顶沉降分别为14.9，15.2 mm，初期支护最大拉应力达到3.23 MPa。锚杆轴力在开挖过程中先逐渐增大，而后有减小的趋势，但隧道断面上锚杆几乎均发挥作用，表明锚杆在双侧壁工法施工中发挥了良好作用。初期支护拉应力及变化幅度在容许范围内，显示超前支护、初期支护发挥了及时支护作用，对衬砌应力及拱顶沉降起到了很好的控制作用。

2) 双侧壁导坑法施工中，最大拉应力出现在临时中隔壁同初期支护相交位置，在初期支护拱肩加厚部位出现最大主压应力，故对初期支护拱肩部位进行局部加强处理是必要的。

3) 研究面地表横向沉降曲线。选取最初的开挖面作为研究面(记为0开挖面)，随着隧道开挖的向前推进，0开挖面的所对应的地表各点沉降值均随之增长，但也会随着隧道的掘进沉降减缓增长并逐渐趋于稳定。选取滞后于隧道开挖掌子面2倍洞径的0开挖面的各地表沉降值作为研究对象绘制地表横向沉降曲线，其结果见图8(原点为与拱顶对应的地表点)。隧道的最大洞跨13.9 m，由图8可以看出，隧道开挖影响的地表横向范围约为2.9倍洞跨。

图8 地表横向沉降曲线

4) 研究地表纵向沉降曲线。选取隧道开挖方向的某一横断面为基准面(Y=15 m)，当隧道未开挖到该面时，该面拱顶所对应的地表点实际已产生了沉降，开挖掌子面对前方土体的影响范围一般为1～1.5倍隧道跨度。随着2号、3号等导洞开挖到该面，该面的地表点的沉降值迅速增大，随后趋于稳定，沉降值趋于稳定的断面大约滞后开挖掌子面2～2.5倍隧道跨度。选取Y=15 m的开挖面为基准面，显示各导洞到达该面时前后各15 m范围内地表各点的数值模拟计算沉降值及现场监测沉降值见图9。

图9 地表纵向沉降槽曲线

6 结语

地铁折返线大跨度浅埋暗挖隧道施工风险高，通过采用数值模拟方法对隧道结构安全进行评估和开挖施工学分析，得到如下结论。

1) 整个隧道施工过程中地表最终沉降量为23.2 mm，开挖影响地表横向范围约为2.9倍洞跨。开挖掌子面对前方土体影响范围一般为1～1.5倍隧道跨度，随着各导洞开挖到该掌子面，该掌子面地表点的沉降值迅速增大，而后逐渐趋于稳定，沉降值趋于稳定的断面滞后开挖掌子面2～2.5倍隧道跨度。

2) 双侧壁导坑法施工中，最大拉应力出现在临时中隔壁同初期支护相交位置，在初期支护拱肩部位出现最大主压应力，对初期支护拱肩部位进行局部加强处理是必要的。

3) 经计算分析及现场实测，隧道开挖施工地表沉降量满足要求，各个开挖步序中初期支护结构的安全性也满足要求，在武汉剥蚀堆积垅岗区(相当于长江III级阶地)进行浅埋大跨度隧道暗挖施工时，为有效控制沉降变形、确保隧道结构安全，采用双侧壁导坑工法施工是合理的也是必要的。