青岛地铁上软下硬岩层区间隧道断面设计优化

2017-10-11刘鹏王冲

城市轨道交通研究 2017年9期

刘鹏王冲

刘鹏王冲

（中铁隧道勘测设计院有限公司，300133，天津//第一作者，高级工程师）

以青岛地铁3号线宁夏路站—敦化路站化区间隧道上软下硬岩层段为工程背景，利用数值模拟对三种断面隧道施工沉降、衬砌结构受力、塑性区分布、断面开挖面积和配筋面积的变化规律进行研究，并结合模拟结果与现场监测数据对隧道开挖断面进行综合优化。研究结果表明：拱部削尖马蹄形断面能保证隧道施工安全，且断面配筋面积最小，经综合考虑隧道施工的安全性与经济性，为最优断面方案。

地铁；上软下硬岩层；隧道施工；断面优化

AbstractIn the engineering background of the interval tunnel between Ningxia Rd.Station and Dunhua Rd.Station on Qingdao metro Line 3，which crosses the upper-soft lowerhard rock stratum,the variation regularity of construction settlement，force of lining structure，plastic zone distribution，excavation section area，steel bars area in the engineering of 3 sections are studied by using numerical simulation,and the comprehensive optimization of tunnel excavation section is studied by combining the simulation result with the field monitoring data.This research shows that construction safety could be guaranteed with the minimum steel bars area by taking arch sharpening horseshoe section,which is confirmed as the optimal section in terms of construction safety and economy.

Key wordsmetro； upper-soft lower-hard rock stratum；tunnel construction；section optimization

Author′s addressChina Railway Tunnel Survey and Design Institute Co.，Ltd.，300133，Tianjin，China

国内地铁隧道主要采用矿山法和盾构法施工，其断面形式以复合式马蹄形断面和圆形断面为主［1］。盾构法施工的地铁区间隧道在施工安全性及地层沉降控制等方面有优势，现已逐渐成为城市地铁区间建造的首选方法［2］。而在面对不良地质和复杂地层时，矿山法的适应性更强、更灵活、技术措施更成熟，仍然是重要的施工方法。

目前，矿山法修建的地铁隧道断面多沿用复合式马蹄形断面。设计人员也对断面几何形状、结构受力、开挖地表沉降规律等方面开展了许多有益的研究。文献［3］等对北京地铁浅埋暗挖区间隧道采用马蹄形断面施工时的隧道塌陷机理进行了研究，其结果表明，浅埋隧道的破裂角与隧道的覆跨比、矢跨比有关，且比 45°+ φ/2大 10°～15°（φ 为内摩擦角）。文献［4］对下穿既有公路的超浅埋小间距偏压隧道进行了仿真模拟研究，通过分析隧道的变形规律、应力分布及中隔墙和衬砌支护结构的变形特征，得出衬砌结构采用不对称几何形状设计比较有效的结论。文献［5-7］对浅埋暗挖地铁区间隧道开挖引起地表沉降规律进行研究，得到地表沉降变形规律，并提出相应控制措施。

上述研究多针对位于土层中的矿山法隧道施工，而在青岛地区，地铁隧道常常处于土岩分界、风化岩与微风化岩交界等上软下硬岩层中，其隧道断面结构受力及地层沉降具有一定特性，隧道断面形式也具有一定的可优化空间。

本文结合青岛地铁3号线宁夏路站——敦化路站（以下简为“宁化”）区间隧道，以理论分析、数值模拟和现场实测为手段，对上软下硬岩层区间隧道断面形式进行优化分析。研究成果可为今后类似矿山法施工的隧道断面选择提供借鉴和参考。

1 区间隧道断面选取

1.1 工程简介

青岛地铁3号线宁化区间隧道为左右线单洞单线隧道，采用矿山法施工。区间隧道起始于宁夏路与南京路交叉口南侧，至延吉路与南京路交叉口北侧与敦化路站连接，全长621.89 m，起止里程为K9+516.979～K10+138.867。宁化区间隧道埋深多为10～15 m，地层岩性如图1所示。隧道主要穿过三类地层：第一类为强或中风化花岗岩层；第二类隧道拱顶部为强、中风化花岗岩层，下部为微风化花岗岩层；第三类为微风化花岗岩层。目前对于第一类岩层的研究已相当丰富，而第三类岩层由于地质条件较好，可研究性较小。因此本文对着重青岛地区普遍存在的第二类岩层进行研究。

第二类地层为上软下硬岩层，围岩等级为Ⅲ～Ⅳ级。不同围岩等级下隧道支护参数如表1所示。

1.2 断面选取

图1 区间隧道地层岩性及厚度

表1 各级围岩下隧道主要支护参数

区间隧道断面设计应综合考虑区间隧道的建筑限界、结构受力变形以及施工经济性等因素。结合宁化区间隧道地层岩性，并参照国内不同隧道的断面形式，对宁化区间隧道提出3种开挖断面方案：①断面一为马蹄形断面，该类断面为区间隧道应用最广的断面形式，在北京、武汉、广州等城市广泛应用［8-9］，在宁化区间实际施工中同样采取该类断面；②断面二为拱部削尖马蹄形断面，该类断面是在马蹄形断面的基础上进行的优化断面，广泛应用于穿山铁路及公路隧道中；③断面三为直墙半圆拱形断面，该类断面在地下人防洞室及巷道中应用较多。考虑设备运输及地铁过线的需要，各类隧道断面尺寸如图2所示。

图2 各类隧道断面形状及尺寸

2 各类隧道断面方案数值模拟分析

围岩级别按Ⅳ类选取，对各类隧道断面方案进行模拟分析。隧道拱顶埋深统一取15 m。

2.1 模型建立

通过ANSYS软件建立三维数值模型，结合ANSYS和FLAC3D软件进行隧道开挖模拟计算。在均质弹性隧道中，由隧道开挖引起的隧道围岩应力及位移变化在5倍隧道直径范围内小于1%，在3倍隧道直径范围内小于5%［10］。因此，在模拟计算中，以两平行隧道的中线与隧道拱底连线交点为原点，左右各取40 m，向下取约30 m，向上取至地表，建立模型。模型尺寸为100 m（长）×80 m（宽）×50 m（高），如图3所示。模型边界条件为：上部采用自由约束，底部为固定约束，四周设置滚轴约束。隧道围岩服从Mohr-Coulomb准则，初期支护、二次衬砌采用实体弹性模型，超前支护通过提高其围岩加固区参数来模拟，锚杆采用cable单元。

图3 拱部削尖马蹄形隧道计算模型

左右线隧道中心线间距为14 m。开挖时左右隧道相互扰动，为减小模拟计算误差，模拟开挖严格按照现场施工步序进行，即双线隧道交错开挖，开挖间距为20 m，右线在前，双线同步施工。隧道开挖时，首先开挖上层台阶，施工初支及锚杆，然后开挖下部台阶，最后进行二衬支护。各地层及支护参数如表2所示。

2.2 计算结果分析

2.2.1 变形分析

2.2.1.1 地表沉降

不同断面隧道开挖引起的地表沉降曲线如图4所示。由图4可见，隧道地表沉降对两隧道中心线呈对称分布，且越远离两隧道中心线地表沉降越小，最终趋向于0。各断面的隧道中心线地表沉降值分别为-9.6mm、-7.9mm和-14.5mm。这说明当隧道穿越上软下硬地层时，削尖马蹄形断面的隧道地表沉降最小，马蹄形断面隧道次之，半圆直墙拱形断面隧道的地表沉降最大。

表2 地层及支护参数

图4 不同断面隧道地表沉降曲线

2.2.1.2 隧道围岩位移

由于篇幅所限，现给出断面二的位移云图，如图5和图6所示。由图5可知，两区间隧道沉降量最大值出现在拱顶处；由于左右隧道交错开挖，先开挖的右线隧道受左线隧道开挖的再次扰动，故右线隧道沉降量比左线隧道稍大，右线隧道最大沉降量为-11.73 mm，左线隧道最大沉降量为-10.24 mm；隧道出现底鼓现象，但底鼓量较小，最大值为2.3 mm。可见马蹄形隧道对抑制隧道底板隆起有较好效果。由图6可知，隧道水平位移最大值约为5 mm，发生在隧道拱肩上方；隧道两帮移近量约为7.2 mm。

由图5～图6可知，右线隧道拱顶沉降相对于左线稍大，且隧道水平位移较小，远小于规范中的警戒值。为此对隧道右线拱顶沉降规律进行分析，不同断面右线隧道拱顶沉降曲线如图7所示。

由图7可知，隧道开挖拱顶沉降大致可分为3个阶段：①第一阶段为隧道未开挖到监测记录点的初始影响阶段：该阶段沉降是由前面隧道开挖对监测点断面扰动引起的，由于监测点断面未开挖，围岩稳定性较好，该阶段变形较小。②第二阶段为开挖至监测记录点的快速变形阶段：该阶段由于监测点掌子面的开挖，围岩应力重分布，故隧道有变形大且变形快的特点。③第三阶段为左线隧道开挖引起的再次变形阶段：该阶段右线隧道受左线隧道开挖扰动的影响，围岩发生再次扰动，由于右线隧道初期支护已施工完成，故该阶段隧道变形相对较小。

图5 断面二竖向位移云图

图6 断面二水平位移云图

图7 各断面右线隧道拱顶累积沉降

图8 断面一衬砌受力分布图

当隧道穿过上软下硬岩层时，各断面隧道开挖对监测点的初始影响距离均约为14 m。各断面隧道在不同沉降阶段的沉降量见表3。

表3 不同断面隧道的沉降情况

综上可知，隧道断面形状对隧道开挖初始影响距离有一定影响，但影响较小；削尖马蹄形断面对隧道拱顶沉降的控制较好。

2.2.2 衬砌内力分析

图8和图9分别为断面一和断面二的衬砌受力分布云图。可以看出，断面一的衬砌最大轴力出现在拱脚处，最大弯矩出现在拱顶及拱肩处。对于上部结构处于软弱围岩的隧道，拱顶和拱肩受力过大，对衬砌结构的长期稳定不利。断面二的衬砌最大轴力出现在拱腰和拱脚处，最大弯矩出现在拱脚处，且在拱顶处未出现受力集中。对处于上软下硬岩层中的隧道而言，断面二更有利于维持隧道结构长期稳定。各类断面隧道衬砌最大轴力和弯矩如表4所示。

图9 断面二衬砌受力分布图

表4 各类断面隧道衬砌受力最大值

2.2.3 塑性区分析

图10为不同断面隧道的塑性区分布云图。三种断面隧道塑性区主要分布在拱顶及拱肩处，隧道下部断面基本处于弹性状态。这是因为隧道下部断面处于微风化岩层中，其岩体风化程度低，强度高。在马蹄形隧道和直墙半圆拱形隧道的拱顶和拱肩部位部分围岩处于塑性流动状态，这对隧道支护结构受力及长期稳定不利。削尖的马蹄形隧道由于特殊的拱顶结构，能将拱部压力较好地传递到下部较硬岩层之中，利于隧道上部结构的稳定，其塑性区范围明显小于其它两种断面。

图10 不同断面塑性区分布

2.2.4 断面利用率及配筋分析

（1）不同隧道断面开挖石方量不同、衬砌配筋不同，最终隧道施工耗资不同。在隧道安全施工的前提下合适的断面可保证隧道施工的经济性。根据各断面的设计尺寸，可得到隧道断面一、二、三的开挖面积依次为28.7 m2、29.2 m2和32.4 m2。其中，马蹄形断面利用率最高，直墙半圆拱形断面利用率最低。

（2）衬砌配筋影响隧道结构的安全。衬砌配筋不足会导致衬砌结构承载力降低，容易引起衬砌混凝土的开裂，不利于结构的长期安全。不同断面隧道衬砌应力不同，所需配筋量不同。宁化区间隧道二次衬砌厚度为300 mm。根据模拟计算衬砌所受轴力与弯矩，按照《混凝土结构设计规范》计算，并按裂缝控制验算，得到断面一、二、三的配筋面积依次为1 800 mm2，1 050 mm2和 1 650 mm2。

综上可知，当隧道采用拱部削尖马蹄形断面方案开挖时，其地表沉降、拱顶下沉、塑性区面积和配筋量均小于其它两个方案。综合考虑隧道稳定性与经济性，青岛上软下硬岩层的隧道应选择拱部削尖马蹄形断面。

3 现场监测分析

施工现场的监测数据作为优化设计的重要参数资料，不仅能反映隧道结构的安全性，同时也是检验本文优化分析正确与否的重要依据。由于工期安排，宁化区间上软下硬岩层地段仍采用原马蹄形断面。当初期支护完成，各监测数据趋于稳定后，变形较大的马蹄形断面监测数据，整理结果如表5所示。

表5 监测数据表

由表5可知，隧道变形最大值出现在K9+852处。该处地表最大沉降为11.3 mm，拱顶最大沉降为16.7 mm，两帮收敛量为10.2 mm。可见，隧道变形均在警戒值范围内，锚杆轴力也未达到抗拉极限。这说明当支护选择合理时，隧道采用马蹄形断面可保证隧道的安全施工。

图11 地表与拱顶沉降实测与模拟对比曲线

图11 为K9+852处的地表及拱顶沉降与数值模拟对比曲线。由于现场施工中的支护滞后，监测结果略大于模拟结果。监测数据与数值计算中的马蹄形断面数据相吻合，证明了数值计算的正确性；而数值计算显示拱部削尖马蹄形断面在上软下硬地层中较一般马蹄形断面具有优越性。这进而说明了断面方案的综合稳定性与经济性，故在上软下硬地层中选用拱部削尖马蹄形断面为最佳方案。