软弱破碎围岩地铁隧道施工工法数值仿真★

陈慧雨，齐栋梁

(河北水利电力学院,河北 沧州 061001)

0 引言

随着我国经济的快速发展,地铁作为整个城市交通系统的重要组成部分,不仅有效地缓解了城市交通压力,更是在促进城市区域发展、提升城市形象、改善城市居住环境等诸多方面具有重要的支撑作用。此外,为减少对地面周围建筑环境、道路交通和地下管线的影响,地铁隧道结构设计的合理性及开挖方法适用性一直都是城市地铁建设工程重点关注的问题[1-3]。

为了提升地铁隧道穿越软弱破碎岩体时的安全性,国内诸多学者已经做了大量研究工作。其中,台阶法施工具有灵活多变且适用性强的优点,被广泛应用于软弱围岩隧道工程中。蒋亮等[4]利用FLAC3D软件模拟了Ⅳ级软弱围岩隧道采用台阶法施工,研究分析了不同台阶长度开挖所引起的拱顶和地表变形情况。刘招伟等[5]基于蒙华铁路段Ⅴ级围岩家坪隧道工程,提出了仰供开挖、支护与下台阶同步进行的一次开挖施工技术。杨招等[6]以西安地铁6号线区间隧道工程为依托,提出了一种适用于地裂缝破碎带的优化CRD施工方法。另一方面,我国地铁隧道工程逐渐趋于大断面化甚至特大断面化,这对传统台阶法的适用性、经济性和安全性提出了更高的要求。王丙坤等[7]针对海螺峪大断面破碎围岩隧道开展了隧道台阶法施工优化研究。黄小明等[8]基于新白石扁平特大断面隧道工程,对比分析了三台阶法和CD法两种开挖方法的围岩-支护力学响应。孙引浩[9]依托后岭下隧道,研究了变截面台阶法开挖引起的围岩变形特性,为变截面隧道工程中过渡段安全施工提供了一定技术指导。

本文以青岛地铁4号线某区间隧道工程为依托,结合该工程地质勘察资料及相关设计资料,建立了Midas-GTS有限元分析模型,全过程模拟了两种不同断面隧道采用上下台阶法和交叉中隔壁法(CRD)施工流程,分析了软弱破碎围岩地铁隧道开挖所引起的拱顶及周围地层应力、位移变化,相应数值模拟结果可为类似地铁隧道暗挖施工提供借鉴和参考。

1 工程概况

青岛地铁4号线某区间隧道全长1 028 m,图1给出了该区间隧道线路纵断面,地面高程约为26.77 m～28.84 m;最大线路纵坡为27‰,为V型坡隧道。该区间隧道的土层从上至下为:素填土、粉质黏土、中粗砂和风化花岗岩,局部有强风化煌斑岩岩脉。素填土厚度1.8 m～2.4 m,填土层土质松散、土质不均匀、稳定性差;粉质黏土厚度3.2 m～8.8 m,呈软塑—硬塑状,稳定性较差;粗砾砂厚度0.0 m～8.0 m,饱和,稳定性差;最下层为Ⅳ级—Ⅴ级花岗岩,其岩质极为破碎,有较低的稳定性。此外,地下水埋深1.3 m～5.2 m,主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水,第四系孔隙水主要赋存于砂层,富水性较好,基岩裂隙水主要赋存于强风化花岗岩裂隙中,富水性较差。

依据地质勘查报告和相关设计资料,隧道断面拟设计为单洞单线和双线两种结构方案,图2给出了单洞单线和双线隧道复合式衬砌断面设计结果。

2 数值仿真

由于该区间隧道围岩破碎且稳定性较差,综合考虑施工安全、工程造价以及对周围环境影响等诸多因素,确定单洞单线隧道方案拟采用上下台阶法进行施工开挖,单洞双线隧道方案采用CRD法进行施工开挖。同时,为了验证隧道衬砌设计的合理性及开挖方法的有效性,利用Midas-GTS有限元分析软件建立了单洞单线和双线隧道断面的数值分析模型,基于Mohr-Coulomb本构模型全过程模拟了各隧道断面开挖和支护的整个施工流程。在施工过程模拟中,通过杀死单元属性的形式来模拟土体开挖,通过激活单元属性的形式来模拟施加支护结构。

2.1 单线马蹄形隧道数值建模

根据区间隧道线路纵断面选取所模拟的隧道地质断面,建立了相应的数值模拟模型,如图3所示。其中,隧道开挖宽度为6.3 m,高度为6.729 m,覆盖岩土层厚度为11.6 m,模型水平宽度取为35 m。在数值模拟过程中,模型土层采用四边形单元,锚杆采用的是杆单元,衬砌部分采用的是梁单元;模型两端边界处施加水平方向约束,对模型底部施加水平与竖直方向约束;将开挖部分分成上下两个台阶,按照施工工序依次进行开挖模拟。表1列出了数值模拟中所采用的相关力学参数。

表1 围岩及支护结构的物理力学参数

2.2 单线马蹄形隧道台阶法施工模拟

针对单线马蹄形隧道采用中台阶机械式开挖方法,其施工顺序为:开挖完第一台阶土层后,进行衬砌与锚杆支护;再开挖第二台阶土进行衬砌与锚杆支护。其中,上台阶土厚3.4 m,下台阶土厚3.329 m。图4给出了该隧道断面施工开挖支护后的数值模拟结果云图,通过杀死该部分单元模拟土层开挖,并激活开挖区域范围锚杆与衬砌混凝土单元的材料属性,进而模拟分析隧道支护后周围地层变形及应力重分布情况。

从图4中可直观地看出,开挖上台阶并及时进行支护后的拱顶竖向位移为0.196 mm,上台阶的两端角位置处发生应力集中现象,最大竖向应力为597.3 kPa;当隧道范围内土体全部开挖完后,拱顶最大竖向位移约为0.210 mm,远小于Q/CR 9218—2015铁路隧道监控量测技术规程[10]所要求的拱顶下沉量限值,且仰拱隆起的位移可忽略不计;此外,下台阶支护完成后使整个隧道断面受力变得较为均匀,缓解了因上台阶开挖所导致的侧壁应力集中。与此同时,图5给出了马蹄形单线隧道台阶法施工的地层总应力和总位移分布模拟结果,从图5可以看出,隧道围岩位移变形较小,进一步验证了该马蹄形单线隧道衬砌设计的合理性及采用台阶法施工的有效性。

2.3 双线马蹄形隧道数值建模

类似于前文单洞单线隧道施工数值模拟过程,根据区间隧道线路纵断面选取了图6(a)所示的单洞双线隧道地质剖面,双线隧道外轮廓断面宽度为11.8 m,高度为9.3 m,模型的水平宽度取为50 m;图6(b)为相应CRD法施工的数值计算模型,其中隧道内范围土体被划分为上中下三个台阶,并被中隔壁划分为了六个区域,第三个台阶土层厚为2.5 m,其余台阶土层厚均为3.4 m。同时,表2列出了数值模拟中所采用的相关物理力学参数。

表2 围岩及支护结构的物理力学参数

2.4 单洞双线隧道CRD法施工模拟

采用CRD法进行隧道开挖的数值模拟工序依次为:首先,开挖上部左侧上台阶,激活上部洞身的支护结构单元属性(如打设系统锚杆、初喷混凝土、中隔壁施工);随后,开挖左侧中台阶,激活左侧洞身中台阶支护结构单元属性;接着,再依次开挖右侧上、中台阶的土体,并激活相应的支护结构单元属性;最后,依次开挖下台阶土体,拆除中隔壁,并激活仰供支护结构属性。相应数值模拟结果如图7,图8所示。

由图7总应力分布模拟结果可以看出,初始左上台阶开挖支护后,在开挖区域各端点易发生应力集中效应;随着隧道断面分步开挖,围岩应力得到逐步释放,隧道拱顶和仰供中部区域围岩压力由中隔壁来传递,导致该处岩体应力和侧墙底部应力偏大;直至整个隧道断面支护结构封闭,总应力变化才趋于平缓。上述应力模拟结果,在一定程度上可为指导隧道工程安全施工提供一定借鉴和参考。另一方面,图8给出了双线隧道开挖支护后总位移分布模拟结果,从图中可以看出,随着隧道断面分台阶开挖,拱顶处的总位移也逐渐升高,最终总位移达到了65.86 mm,仰拱隆起值为18.82 mm。根据TB 10003—2016铁路隧道设计规范[11]可知,跨度为8.5 m～12 m的Ⅴ级围岩隧道复合衬砌预留变形量为80 mm～120 mm,上述收敛变形模拟结果满足规范要求,设计合理且风险可控。

3 结论

依托于青岛4号线某软弱破碎围岩段地铁隧道工程,对单洞单线与双线马蹄形隧道断面的设计方案进行了合理性分析,并借助有限软件模拟了该两种断面分别采用上下台阶法和交叉中隔壁法(CRD)的施工开挖过程,数值模拟结果表明:

1)上下台阶法在小断面地铁隧道施工中,引起隧道拱顶变形较小,施工安全性较高。

2)针对围岩稳定性较差且中大断面的地铁隧道,采用交叉中隔壁(CRD)法进行施工开挖,中隔壁处产生应力集中效应且该处往往岩体应力略大,故应特别注意中隔壁结构设计的安全性,避免因设计不合理导致其变形过大,发生工程事故。此外,CRD法分步开挖支护有利于围岩变形控制且提供了充足施工作业空间,因此特别适用于软弱破碎围岩隧道施工。