地铁隧道初期支护参数优化研究

张 涛

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056）

0 引言

盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，具有自动化程度高、施工速度较矿山法快、对地面建筑沉降影响小等优点。然而在某些特殊地段，如地铁盾构施工遭遇极硬岩、孤石群或软硬不均地层时，盾构不仅掘进速度慢、刀盘磨损快，造成总造价升高，而且可能出现一系列工程事故。针对这些特殊地段，将矿山法和盾构法结合起来组合施工，即先通过矿山法开挖并完成初期支护，然后盾构空推完成管片拼装，可发挥2种工法各自最大的优势和效益。文献［1］介绍了“矿山法+盾构法”在深圳地铁5号线的应用情况，讲述了盾构空推关键施工工艺；文献［2］通过数值模拟，分析了深圳地铁2号线结合段盾构空推管片受力情况；文献［3］通过建立平面有限元模型，对软岩隧道支护方式和支护参数进行了优化分析。

国内外关于矿山法结合盾构法隧道初期支护优化研究较少，由于在支护参数选取方面存在不确定性，为了避免出现工程隐患和工程材料浪费，需要对拟定的支护参数进行优化设计［4］。本文采用FLAC 3D软件进行计算，结合正交试验设计方法，评价各锚喷参数与评价指标之间的关系，确立合理的支护参数取值，为工程提供理论支持。

1 工程概况

武汉轨道交通3号线是连接汉口、汉阳的骨干线路，也是第1条下穿汉江的地铁线路，连接主城区与武汉经济开发区，预计将于2015年完工，届时将汇合武汉市地铁2号线和4号线，形成连接武汉三镇的环线。

过汉江区间由于下穿汉江段和汉阳段地质差异较大，汉阳段采用矿山法施工，下穿汉江段采用盾构法施工，故在汉阳岸侧（CK11+253.876～+577.50段）采用矿山法和盾构法组合施工，该段区间线路以25‰的坡度下坡至区间最低点，然后以7.5‰的坡度上坡下穿汉江，线路竖曲线半径为5 000 m。组合段隧道内净空为半径5.5 m的圆形断面。隧道穿越中风化灰岩及石英砂岩地层，强度为33～58 MPa，处于Ⅲ至Ⅳ级围岩。

2 数值模拟分析

2.1 模型建立及监测点选取

本文以（CK11+253.876～+577.50）段中部喷锚支护段隧道为研究对象建立模型。在高程方向，由于高度变化率小于1%，简化为水平面内的隧道。为了消除边界效应对计算结果的影响，正面隧道断面中点为模型坐标原点，模型宽度X轴方向取58 m（-29 m，29 m），底部到顶部Z轴方向取65.95 m（0 m，65.95 m），隧道轴线Y轴方向取60 m（0 m，60 m）。模型网格划分及相关监测点位如图1所示［5］。

图1 有限元模型及监测点位Fig.1 Finite elementmodel and monitoring points

隧道支护采用锚喷支护，根据实际地质条件及规范要求，初步设计锚杆采用砂浆锚杆，长2.2 m，梅花形布置，排距为1.0 m，混凝土采用C25早强混凝土，厚0.15 m。

矿山法隧道断面如图2所示。盾构半径为3 100 mm，管片厚度为350 mm。为保证豆砾石回填层不发生离析现象，回填层厚度不应小于200 mm，初步定为230 mm。最外圈为矿山法开挖后，厚度为150 mm的锚喷支护。考虑到隧道底部盾构机导台的铺设，最终净空高度为7 050 mm，宽度为6 900 mm。

图2 矿山法隧道断面初步设计图Fig.2 Preliminary design of cross-section ofmined tunnel

2.2 边界条件设定及初始计算参数

对于边界条件的设置，上临空面为自由表面边界，不受任何约束，横向两侧受到X（水平）方向的位移约束，前后两侧收到Y（纵向）方向的位移约束，模型底层为固定边界，即同时受到X，Y，Z（水平、纵向、竖向）3个方向的约束。

根据现场地勘资料，隧道上覆土层主要有3层，分别是素填土、粉质黏土和黏土。隧道主体穿过中风化砂岩层，通过室内实验得出的岩土体力学参数如表1所示。支护材料模拟方式如下：采用块体单元（brick）模拟喷射混凝土，厚为15 cm；用锚索单元（cable）模拟锚杆支护［6-7］，锚杆长2.2 m，锚杆布置方式为梅花形布置，排距为1.0 m。围岩采用摩尔-库仑弹塑性模拟，喷射混凝土块采用实体单元模拟，锚杆及衬砌的力学参数如表2所示。

表1 岩土体力学参数Table 1 Mechanical parameters of rock and soil

表2 锚杆和喷射混凝土的力学参数Table 2 Mechanical parameters of anchor bolt and shotcrete

3 支护参数优选

3.1 优化评价方法确立

3.1.1 安全考核指标

回填层设计厚度为230 mm，为了满足豆砾石回填不发生离析现象，回填层厚度须满足200 mm的要求，即关键点位移最大值应不超过30 mm。根据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》5.3.3规定，埋深小于50 m的隧洞，允许位移相对值为0.2% ～0.8%。由于净空高度为7.05 m，宽度为6.9 m，即拱底到拱顶相对变形量不大于56.4 mm，左、右拱腰相对侧移量不大于55.2 mm。

3.1.2 经济考核指标

隧道的成本包括隧道的开挖成本和材料成本，在隧道的围岩和开挖断面一定时，隧道的每m开挖成本是相同的，故此处只考虑支护的材料成本，那么隧道每m2经济成本［8］

式中：li为锚杆排距，i=1，2，3（i=1，2，3表示排距分别为0.8，1.0，1.2 m），梅花形布置锚杆，每排锚杆数为10和9交替，这里简化为10根；Kj为单根锚杆总成本，j=1，2，3（j=1，2，3表示长度分别为2.0，2.2，2.5 m，值取分别为36，40.5，45元）；mn为混凝土成本（n=1，2，3分别表示混凝土等级为C20，C25，C30，值取分别为1 424，1 820，2 159元/m）。

3.2 优化分析

初期支护采用的锚杆、喷射混凝土支护结构都是隧道中最重要的受力结构。以前期经验为基础，对锚杆的长度、排距和喷射混凝土的混凝土强度等参数进行优化。规范规定，锚杆深入围岩长度须不小于1 m，这里取2.0，2.2，2.5 m分别进行模拟。而对于锚杆排距，模拟取0.8，1.0，1.2 m 分析。喷射混凝土采用C20，C25和C30早强混凝土进行模拟。选用L9（34）正交表，进行正交实验，如表3所示，总共有3个因素，分别以A，B，C代表［9-10］。

表3 因素水平表Table 3 Factors and their levels

计算采用FLAC 3D软件，在隧道开挖过程中，采用与实际施工情况一致的工序，即掘进分为上、下台阶开挖，挖掘上台阶时在内壁设置喷层，挖掘下台阶前在挖掘完的上台阶设置锚杆，同时在上台阶再向前挖掘一段并在内壁设置喷层。每掘进一次，整个过程就循环一次，直至开挖和喷锚结束，每次掘进3 m作为一施工步。为了减少边界效应对计算结果的影响，选取纵轴30 m断面处为监测断面，试验安排及计算结果如表4所示。

表4 试验安排及计算结果Table 4 Experiment arrangement and calculation results

各因素对各指标的影响如表5所示。由表5通过极差分析和直观分析可以看出：改变混凝土等级虽然可以明显减少位移，但是会造成整体造价大幅度增加；对位移的影响，锚杆长度大于锚杆排距；对造价的影响，锚杆长度小于锚杆排距，增加锚杆长度不仅可以使位移更小，且造价增长量也较小。因此最后得出的最优支护参数为锚杆长2.5 m，锚杆排距为1.0 m，混凝土等级采用C25。

表5 各因素对各指标的影响Table 5 Influence of each factor on the indices

3.3 优选结果验证

将前面得出的最优方案代入FLAC 3D软件进行计算，验证该方案的可行性。图3为隧道经过锚喷支护下的地表横向沉降槽曲线。地表变形趋势符合Peck公式［11］关于地表的变形趋势，两端至隧道中心线，越靠近中心线，地表沉降越大，反之越小，最大沉降部位位于隧道轴线中间对应的地表。未经支护的隧道引起的地表沉降最高达23.7 mm，而经过支护的隧道引起的地表沉降最大沉降量为4.57 mm，满足规范规定的不大于3 cm的要求，可见隧道合理支护能有效抑制地表沉降。

图3 地表横向沉降曲线Fig.3 Curves of transverse ground surface settlement

图4和图5分别是最大主应力图和塑性区图。对比2图可知，拱顶和拱底出现了应力集中现象，由于支护作用，围岩并未出现塑性区。

图4 最大主应力图Fig.4 Contour ofmaximal principal stress

图5 塑性区图Fig.5 Plasticized zone

图6是竖向应力云图。由图6可知，隧道顶部发生沉降，底部隆起，最大沉、隆位移分别出现在拱顶和拱底附近。如表6所示，隧道每m造价为2 270元，经济性符合要求；监测点位移值不超过30 mm，满足回填层厚度大于200 mm的要求；拱顶、拱底相对位移为53.73 mm，满足相对位移不大于56.4 mm的要求。故该组支护参数是最优支护参数组合。

图6 竖向位移云图Fig.6 Contour of z-displacement

表6 4个监测点位移值Table 6 Displacementsmeasured at 4 monitoring points

4 结论与建议

1）将正交试验方法引入数值模拟中进行优化设计是可行的，该方法不仅简单易行，而且能显著减少试验次数。

2）比较系统地研究了锚杆长度、锚杆排距和混凝土等级对拱顶、底相对位移，左、右拱腰相对侧移和隧道每m造价的影响规律，并以此确定了最优支护参数组合。

3）国内外对支护优化的研究较多，然而针对矿山法结合盾构法组合施工工法的支护研究较少，该结论对工程设计具有一定指导意义。

4）本文虽然得出了最优支护参数，但在工程施工阶段，还需要根据实际工程的反馈信息，进行有效的修正或更改，以满足安全性和经济性的要求。

5）正交试验所选取的影响因素未包含喷射混凝土厚度和锚杆间距等因素，期待日后加以完善。

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