城市道路施工对明挖隧道影响的数值模拟研究

舒一展，胡 俊

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

随着城市化进程的快速发展，城市中的地下轨道、高架桥、轻轨等一系列交通设施不断涌现，但也带来了很多建设问题。例如，城市道路地下轨道在开挖和铺填的过程中会对周围地层和地下轨道产生一定的变形影响，甚至形成一些安全隐患。因此，采用适当的方法来减小这类影响成为了人们重点关注的问题。本研究以拟建合肥市庐州大道工程为例，探讨使用分层均布开挖法和跳仓抽条开挖法对隧道结构以及周围地层的影响，并通过数值计算评估方案的可行性。

1 工程概况

1.1 研究背景

拟建合肥市庐州大道(繁华大道—锦绣大道)呈南北走向，南与锦绣大道交叉，连接滨湖段庐州大道，北过繁华大道，连接原庐州大道。线路全长4 500 m，宽约50 m，设计路面高程为15.060～27.816 m，总体呈北高南低，属城市道路主干道。拟建道路正下方有轨道交通1号线，为明挖隧道，区间长达2.5 km。道路施工需在1号线上方进行卸载等地面活动，可能会造成1号线结构隆沉，导致明挖隧道管片接头漏水、结构开裂、轨道几何行为不满足轨道运营要求，从而影响1号线的顺利开通运营。

1.2 工程地质条件

拟建场地的地貌单位为江淮山地，道路交叉口的微地貌单位为山坡、坳沟和十五里河一级梯田。上覆的主要土壤层由第四纪冲积粘土和淤泥组成。第1层为混合土，层厚0.5～4.3 m，底面高程为9.88～27.85 m，呈灰棕色、灰黄色、黄棕色等杂色，地质疏松,主要由质地不均匀的土壤组成。其中，第1层土壤含有少量淤泥和粉质杂物，层厚0.7～3.6 m，层底高8.10～11.20 m，呈灰黑色、黑灰色、黄灰色，为软塑性-流动塑性状态，饱和，含有腐烂的植物根茎、有机物和少量的碎砖等，略有气味，状态较差。第2层为粉质粘土，层厚0.5～1.2 m，层底高6.48～16.90 m，呈灰棕色、棕黄色，为塑性状态，部分为软塑性状态，非常湿，含氧化物、铁锰结核等，略有光泽，无晃动响应，中等干强度和韧性，强度高，受适度压缩，是良好的路基承载层和基础层。第3至第4层为黏土，层厚0.5～4.2 m，底面高程为9.70～24.15 m，呈棕色、灰棕色、棕黄色、灰黄色，主要为硬塑性状态，部分呈塑性，湿态，含铁锰结核、高岭土等，没有震动响应，光滑，干强度和韧性高，是道路路基的良好承载层和基础层。

根据区域地质结构分析和有关地质调查数据，拟建场地内土层分布稳定，未发现影响场地稳定性的工程性活动裂缝结构及其他不利的工程地质现象，是一个稳定的建筑工地，适合此项目的建设。

2 施工开挖方法

整个道路工程的施工由两部分组成，即开挖卸载和回填加载过程。本研究将重点分析开挖卸载过程。根据地质勘察报告和有关规范，该工程段处于明挖隧道上方，道路开挖过程将影响下方明挖隧道顶板的抗浮安全系数和竖向位移。通过查阅文献资料，该工程卸荷影响深度取5倍土体开挖深度。由于地质土分布不均，开挖深度分为2个层次，第1层次在1.5～3 m内，第2层次在1.33～4.3 m内。将道路需开挖的土层分为横向6条相同宽度的土长条，上下2层对应叠加，第1层土自南向北分别编号为1-1#～1-6#地块；同样，第2层土自南向北分别编号为2-1#～2-6#地块。

采用2种开挖方法：第1种为分层均布开挖法，即将第1层的1#～6#地块一起开挖，再将第2层的1#～6#地块一起开挖完成；第2种为跳仓抽条开挖法，即第1次选取1-1#，2-1#，1-3#，2-3#，1-5#，2-5#地块一起开挖(第1层和第2层的1#，3#，5#地块同时开挖)，第2次选取1-2#，2-2#，1-4#，2-4#，1-6#，2-6#地块一起开挖(第1层和第2层的2#，4#，6#地块同时开挖)。

3 理论计算与数值模拟分析

为研究2种开挖方法对明挖隧道结构变形的影响，采用理论计算和数值模拟的方法进行探讨。

3.1 理论计算

在道路开挖施工过程中，明挖隧道主要存在顶板反力和结构隆起问题。为验算明挖隧道顶板反力，根据明挖段主体结构的尺寸及配筋，以裂缝不超过0.2 mm为控制标准，试算反推结构顶板所能承受的最大荷载为140 kPa，满足现状覆土下的受力要求。道路施工时，施工单位应该根据该控制荷载合理选择回填土厚及压实机械，确保回填压实阶段的结构不开裂。其次，为验算隧道结构隆起，根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)中的相关公式，推导隧道结构隆起量：

(1)

式(1)中，d为隧道结构隆起量(mm)；γ为土体重度(kN/m3)；D为卸载土体厚度(m)；H为卸荷影响深度(m)；取H=5d；h为隧道覆土厚度(m)；Ec为土的回弹模量(kPa)。

经计算，在道路分层均布开挖下，隧道最大变形量为10.33 mm(向上隆起)，最小变形量为-1.31 mm(向下沉淀)；在道路跳仓抽条法开挖下，隧道结构的最大变形量为5.76 mm(向上隆起)，最小变形量为-0.43 mm(向下沉淀)。

综上2种方法，明挖隧道结构隆起量为4.4～8.9 mm。根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202-2013)，综合考虑1号线的实际情况，提出庐州大道施工对1号线影响的隧道结构隆起控制标准为20 mm。2种开挖方法下的明挖隧道结构隆起量满足规范要求。

3.2 模型介绍

使用Midas NX软件构建尺寸为120 m×100 m×60 m(垂直×水平×垂直)的模型。将土层简化为水平分布的弹塑性材料，本构模型采用M-C弹塑性模型。为简化计算，作如下假设。

1)根据1号线的详细勘测数据，地层表层一般为1 m厚的平地，从上到下依次为②，③，④粘土层。此3层粘土的物理力学参数非常相近，平均厚度大于30 m。本计算将这3层土组成的地层按单一地层考虑，回弹模量取48 MPa。

2)将1号线上方土的卸载视做大面积土方工程处理，土的附加应力系数取1。

3.3 参数选取与工况分析

结合工况地质条件，地层参数采用实体单元模拟，明挖隧道采用二维板单元模拟，添加一定的边界条件和重力作用，不考虑地下水[1]。土层参数见表1，顶板、底板、中隔墙、侧板结构属性见表2，道路施工工况见表3。

表1 土层参数

表2 顶板、底板、中隔墙、侧板结构属性

表3 道路施工工况

3.4 有限元对比分析

根据理论计算结果，道路施工对明挖隧道的顶板反力和结构隆起符合理论标准控制值，有限元分析将不再叙述，而是运用数值模拟软件Midas GTS NX对道路施工进行模拟研究，对比分析不同开挖方法对明挖隧道的变形影响。

3.4.1 2种开挖工况对地层变形分析

分层均布开挖工况下地层Z方向的位移云图如图1所示，跳仓抽条开挖工况下地层Z方向的位移云图如图2所示。从图1和图2可知，2种开挖方式对地层的变形具有相同的趋势，随着开挖深度增加，地层的隆起和沉降值增加。分层均布开挖受地层土体厚度的影响，即地层隆起和沉降表现不均匀，最大隆起值为6.78 mm；跳仓抽条开挖受开挖位置变动的影响，土层位移集中的地方呈条状分布，道路两端的地层沉降值要普遍大于分层均布法。从明挖隧道上方土层的竖向位移上来看，跳仓抽条开挖工况下的地层位移比分层均布开挖工况下的地层位移小很多，隧道两侧的地层隆起值也较小[2]。

(a) 开挖步骤1

(a) 开挖步骤1

3.4.2 2种开挖工况对隧道结构变形分析

分层均布开挖工况下隧道结构Z方向的变形云图如图3所示，跳仓抽条开挖工况下隧道结构Z方向的变形云图如图4所示。由图3可知，道路分层均布开挖下，明挖隧道的竖向变形呈现从隧道中部向两边逐渐减小的趋势，随着开挖深度增加，隧道位移变形大小相继增加，影响范围也扩大1倍[3]。开挖完成后，隧道最大变形值为10.33 mm(向上隆起)，最小变形值为-1.31 mm(向下沉降)。由图4可知，道路跳仓抽条开挖下，明挖隧道的竖向变形呈现条状分布，和上文3.4.1地层变形相同，随着开挖步骤完成，隧道位移变形的大小逐渐减小，位移较大处的范围也相继缩小[4]。开挖完成后，隧道结构的最大变形值为5.76 mm(向上隆起)，最小变形值为-0.43 mm(向下沉降)[5-6]。

(a) 开挖步骤1

(a) 开挖步骤1

4 结束语

道路开挖会对隧道产生隆起和沉降位移，影响隧道结构安全和稳定，需要进行相关理论计算。在道路开挖施工中，跳仓抽条法对明挖隧道周围地层及结构产生的竖向位移明显小于分层均布法，最大隆起值跳仓抽条法比分层均布法降低了55.7%，最小沉降量降低约1/3，有效减小隧道结构的变形，利于轨道交通的安全和稳定。跳仓抽条开挖法在道路施工中的应用，可为相似工程提供借鉴。