“Y”型隧道不同断面型式开挖步序研究

舒 进

(中国铁路设计集团有限公司，广东 深圳 518052)

1 概述

随着我国城市轨道交通的快速发展，不同类型的隧道型式层出不穷。研究“Y”型隧道不同断面进洞步序，研究其对隧道受力变形影响，对选择合适的开挖步序，对减小隧道变形、提高开挖过程中安全性具有十分重要的指导意义。本文采用有限元软件FLAC 3D对深圳市城市轨道交通10号线工程某场段出入线区间与2号牵出线隧道“Y”型分岔交互工程进行模拟，分析并得到不同隧道开挖步序对隧道变形的影响。

2 工程概况

深圳市城市轨道交通10号线工程某场段出入线区间由单洞单线断面汇合为单洞双线断面，且与2号牵出线隧道交汇，形成“Y”型分岔隧道，汇合为单洞三线隧道。隧道处丘陵地貌，地形起伏较大，地下水丰富(稳定地下水位埋深6.6 m～36 m)，地质多为Ⅴ级围岩，隧道覆土约17 m～27 m，采用矿山法施作；2号斜井由明槽段+横通道组成。横通道设置于牵出线与出入线交汇处，作为开挖转换面。横通道通过设置明挖基槽作为施工道路。

3 计算模型建立与隧道开挖过程模拟

3.1 土体本构模型的选取

土体是一种很复杂的复合体，在外力的作用下，土体不仅产生弹性变形，而且还会产生不可恢复的塑性变形，土的弹塑性本构模型能较好地反映土体应力路径、土的硬化和软化特性[1]。本文采用有限差分软件FLAC 3D进行计算，土体采用Mohr-Coulomb本构模型进行模拟，其余受力构件材料(包括混凝土)均采用线弹性本构进行模拟。Mohr-Coulomb塑性模型主要适用于在单调荷载下颗粒状材料，在岩土工程中应用非常广泛[2]。

Mohr-Coulomb模型屈服面函数为[3]：

F=Rmcq-ptanφ-c=0。

其中,φ为q—p应力面上Mohr-Coulomb屈服面的倾斜角，称为材料的摩擦角，0°≤φ≤90°；c为材料的粘聚力；Rmc(θ,φ)按下式计算，其控制了屈服面在π平面的形状。

3.2 计算模型和参数

计算模型断面长170 m，宽110 m，高90 m，地基下表面为全约束，四周表面均为法向约束。拟采用依据施工过程改变网格本构模型(null,mohr,elastic等)技术模拟施工中的土体开挖、临时支护拆除及永久支护施作过程，采用场变量技术更新注浆区材料的物理力学参数以真实模拟同步注浆、二次注浆对土体力学参数的改进效果[4]。数值仿真中，结合工程施工的实际施工工序，分部开挖土体，适时施作支护和衬砌结构等，其中土层弹性模量取为压缩模量的3倍。

3.3 计算工况模拟

工况一(实际工况)：横通道进洞→三线大断面段开挖→双线断面段开挖→单线单洞开挖；工况二(比选)：大断面段开挖→连拱段开挖→小净距段大洞开挖→小净距段小洞开挖；比选工况三：小净距段小洞开挖→小净距段大洞开挖→连拱段开挖→大断面段开挖；以工况一为例来模拟基坑的开挖与支护。根据施工工序，整个工程土体开挖和地下结构施工模拟计算步骤如下：

1)计算在自重作用下，土体自重应力场；

2)利用改变网格本构模型及参数和施作结构单元等方法，模拟施工中的开挖支护等过程；

3)提取计算结果的应力位移，分别判断结构是否处于安全状态；

4)依次重复2)，3)步骤，直到整个施工过程结束。

4 计算结果分析

4.1 工况一计算及实际监测结果

分别选取不同隧道型式典型断面计算，其中对三线隧道区段实际监控点的布设和实际拱顶累计沉降值，实际监测结果表明，除GDC1+375(中)点偏差较大之外，其余各监控点沉降值范围为1 mm～5 mm，与数值计算结果3.5 mm接近，判断所取参数较合理，结果可信。根据计算结果，横通道、双线隧道、单线隧道、三线隧道顶部沉降值均较小，横通道与双线隧道最大约2 mm，单线隧道最大约1.5 mm，三线隧道最大约3.5 mm；洞周收敛为0.2 mm～1.2 mm，远小于控制基准，表明结构状态为安全状态。其中，拱顶部位移绝对值相较于其他部位最大，拱顶部位为受力控制薄弱点。

4.2 工况二计算结果

采用工况一同样的参数，各隧道断面拱顶最大竖向位移值结果表明：大断面段向分岔段开挖，拱顶竖向位移较工况一增大，呈现从分岔段向大断面段递减趋势；其中大断面段拱顶变形范围为0.2 mm～3 mm，连拱段拱顶变形范围为0.7 mm～4.5 mm，小净距段单洞拱顶变形范围为3.7 mm～5.2 mm，小净距段双洞拱顶变形范围为6.0 mm～6.6 mm。

4.3 工况三计算结果

采用工况三同样的参数，各隧道断面拱顶最大竖向位移值计算结果表明：小净距段单洞往大断面开挖，拱顶竖向位移较工况一增大，呈现从小净距段向大断面段变大趋势；其中小净距段单洞拱顶变形范围为0.2 mm～2 mm，小净距段双洞拱顶变形范围为0.3 mm～3 mm，连拱段拱顶变形范围为1.5 mm～4.5 mm，大断面段拱顶变形范围为5.9 mm～6.4 mm。

4.4 工况二与工况三变形对比

开挖完毕后工况二与工况三拱顶最大竖向沉降对比看出，虽两者最终的最大竖向位移差异很小，但工况二各开挖步断面最大竖向位移大于工况三断面最大竖向位移值。因此，从控制位移角度工况三比工况二较优。

5 结语

通过使用有限差分软件FLAC 3D对10号线凉帽山车辆段出入线与2号牵出线Y型隧道进行计算分析，可以得到以下结论：

1)工况一采用横通道作为复杂断面转换节点方案相比于工况二、工况三连拱隧道方案较优；

2)采用工况三较工况二变形控制上更优。