变截面隧道围岩失稳力学机理研究

郑爱元

摘 要：随着城市地下空间的发展，地铁逐渐成为了人民出行的主要交通工具，但地下工程的环境非常复杂，对于大跨浅埋隧道更是复杂。浅埋地铁隧道工程下穿地上建筑物，会使围岩失稳和地表发生沉降。为此，本文依托深圳地铁7号线工程，对下穿地铁的围岩展開研究，通过数值计算分析，分析了围岩的破坏机理，总结了隧道应力、应变分布规律。研究表明：（1） 当截面从大断面变为小断面时，地表沉降量显著减小。随着隧道截面由小变大，地表沉降量不断变大，最后形成近似马鞍形形状的地表沉降趋势;（2）当附近土体开挖时，隧道拱腰位置的围岩应力会显著提升，中间岩柱处存在较大的应力释放。

关键词：地铁隧道群;围岩失稳;大跨度;数值模拟

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.054

1 引言

随着城市地下空间的发展，在大城市中，地面交通变得越来越拥堵，另外，地面交通的存在的诸如噪音、遮挡阳光、占用大量土地资源等缺点日趋严峻，但地下空间环境复杂，施工难度大，存在较多的不稳定性因素，因此，本文依托深圳地铁7号线工程，对下穿地铁的围岩展开研究。

目前，目前，在国外，NA DO，D Dias and P Oreste[7～9]围岩失稳机理展开分析研究，在国内，吉小明、谭文[1]研究了地铁车站变形控制措施。王暖堂、陈瑞阳等[2]总结了富水地区的下穿隧道施工工法。曾宗强[3]进行了浅埋隧道三维模拟，分析了隧道围岩变形规律。姚明会[4]研究了地铁隧道的岩土体施工力学机理。胡晗[5]利用数值计算分析方法对隧道开挖过程中支护参数进行模拟。吉小明、谭文等[6]提出了地铁隧道开挖前的加固措施。

本次数值模拟计算，依托现有工程，对不同施工工序进行对比分析，旨在指导后续施工。

2 工程概况

本文依托的深圳地铁7号线工程，全长30.173公里。工程采用双侧壁导坑法，7号线沿线地质条件复杂，附近既有建筑物和构筑物比较多，施工难度比较大。施工场地的土质多为碎石、块石和人工填土，土质相对不均匀，极易引起隧道倒塌。另外，在人工填土层下方分布不稳定的花岗岩和风化岩，土质不稳定，极容易发生沉陷坍塌等不良地质灾害，施工难度大。

3 数值计算模型

采用三维数值模型。根据现场实测数据，初步建立三层理想土层，建立图2所示土层三层土质依次为素填土、全风化花岗岩和中风化花岗岩。隧道分步依次开挖，开挖顺序如图2所示。为了避免数值计算受到边界条件的影响，模型的尺寸定为128m×78m×90m，三维模型图如图2所示。

4 数值计算分析方法

数值计算步骤如下：（1）边界条件：除模型上边界为自由面，其余各个面都施加法向约束。（2）开挖方法：采用双侧壁导坑法施工，一次开挖5m，设置六个分析步。（3）施加重力，重力加速度为10m/s2。

各层土的计算参数如表1所示。

5 可靠性验证

为了本次验证实验的准确性和可靠性，将数值模拟的数据与Peck公式、组合梁简化模型计算方法的标准数据进行对比，如图6所示。从图6中可以分析出，数值模拟结果与Peck公式、组合梁理论公式数据趋势大致相同，仅仅在距离大小截面较远处出现相对较大不同，根据数值模拟计算结果绘制出的曲线可以得知，地表沉降一直呈现出隆起形式，由于组合梁理论模型约束了远端的位移，所以只有一小部分出现了地表隆起。本次实验验证了数值模拟的可靠性。

另外，通过三个曲线可以看出，数值模拟曲线最大值向大断面隧道一侧靠拢，在隧道两侧，曲线的斜率呈现出增大趋势。由此可以得出结论，本文所设计的数值模拟是具有可靠性的。

6 数值计算结果分析

6.1 地表沉降分析

为了进一步研究地表沉降趋势，通过模拟计算得到三维地表沉降图，如图7所示。从图7可以看出，在同一断面上，地铁隧道群一直只有一个沉降槽。当隧道的截面从大变小时，地表沉降量显著变小;当隧道的截面从小变大时，地表沉降量显著增大。最终形成马鞍形的地表沉降。

6.2 围岩应力场分析

为了对围岩应力作做进一步的研究，在整个开挖过程中，提取多个分析步的围岩应力进行分析，各个分析步的围岩应力如图8所示。从图8中可以看分析出，第1分析步开挖后，隧道底部出现较小的应力，这是由于没有支护措施，开挖后截面底部应力得到释放;第1分析步开挖后，相比较同深度下其他点的应力，隧道截面顶部的应力较小，但应力值并不为零，可以看出该处应力得到一定程度的释放;第五分析步的围岩应力状况与第一分析步大致相同。第11分析步开挖后，大断面隧道拱顶大部分区域存在应力释放现象。第17和25开挖分析的隧道应力情况与第11步大致相同，在临空掌子面一定区域也存在应力释放现象。在第27分析步开挖后，小断面隧道拱顶区域存在应力释放现象，两种截面的隧道中间柱子处出现应力集中现象。在第72分析步开挖后，在小断面隧道拱腰位置存在应力集中现象，在靠近大断面隧道，拱脚出现应力集中，而对于大断面隧道而言，隧道拱脚区域存在应力集中现象，在靠近小断面隧道，相比较大断面应力集中现象出现在比较靠上区域，这解释了大小截面相互作用的现象。

7 结论

本文依托深圳地铁7号线工程，对下穿地铁的围岩展开研究，通过数值计算分析，分析了围岩的破坏机理，总结了隧道应力、应变分布规律。得到了以下结论：

（1）数值模拟的数据与Peck公式、组合梁简化模型计算方法的标准数据进行对比，三条曲线走势大致相同，证明了本次实验的可靠性。

（2）在同一断面上，地铁隧道群一直只有一个沉降槽。当隧道的截面从大变小时，地表沉降量显著变小;当隧道的截面从小变大时，地表沉降量显著增大。最终马鞍形的地表沉降。

（3）随着开挖不断进行，隧道拱腰的围岩应力不断增大，中间岩柱的厚度与应力释放率成反比，大断面应力释放程度更高。

参考文献：

[1]吉小明，谭文.浅埋暗挖大跨隧道中的施工力学原理与施工技术研究[J].隧道建设，2010（s1）：94-99.

[2]王暖堂，陈瑞阳，谢菁.城市地铁复杂洞群浅埋暗挖法施工技术[J].岩土力学，2002，23（02）：208-212.

[3]曾宗强.地铁大跨度浅埋暗挖隧道施工力学及安全性分析[D].西南交通大学，2009.

[4]姚明会.浅埋暗挖大跨度地铁隧道地表沉降分析[D].同济大学，2007.

[5]胡晗.浅埋大跨地铁车站中洞法施工力学效应研究[D].重庆大学，2015.

[6]吉小明，谭文，石明霞.浅埋暗挖大跨隧道中的施工力学问题分析与数值模拟[J].广州建筑，2009，37（04）：12-19.

[7]Do N A，Dias D，Oreste P.3D numerical investigation of mechanized twin tunnels in soft ground-Influence of lagging distance between two tunnel faces[J].Engineering Structures，2016（109）：117-125.

[8]Peck R B.Deep excavations and tunnelling in soft ground [J].Proc.int.conf.on Smfe，1969：225-290.

[9]Attewell P B，Yeates J，Selby A R.Soil movements induced by tunnelling and their effects on pipelines and structures[J].Methuen Inc New York Ny，1986：310-317.