双侧壁导坑法隧道不同施工阶段变形分析

陈志勇，朱红西，舒 念，卢 渊，黄珏皓

（1.武汉市市政建设集团有限公司，武汉 430023；2.武汉市市政工程机械化施工有限公司，武汉 430023；3.中国科学院武汉岩土力学研究所，岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071；4.中国科学院大学，北京 100049）

近几年全球气候受到厄尔尼诺因素的影响，短时间的强降水突然增多，导致城市内涝灾害严重。为推进武汉“四水共治”建设，武汉光谷交通建设有限公司拟建设光谷一路—高新四路排水通道工程。该项目起于黄龙山北路，沿光谷一路西侧规划走廊向南延伸，止于高新四路路口，全长2 300 m，其中矿山法暗挖隧道780 m。暗挖隧道穿越红黏土等特殊性岩土地段，地质条件复杂。

目前，中外学者采用理论分析、数值模拟、模型试验等手段，对大断面矿山法隧道施工过程中的应力及变形进行了大量研究［1-3］。邓伟等［4］依托广西百色达康隧道实际工程，模拟了大断面隧道采用双侧壁导坑法施工流程，探究了动态施工过程中围岩变形规律和支护结构受力变化规律；李鹏宇等［5］依托重庆地铁5 号线和睦站，对结合双侧壁导坑法的TBM 先隧后站技术进行工序优选研究；韩立志等［6］以柞山高速段小岭隧道为依托，建立数值分析模型对隧道洞口浅埋偏压段开挖与支护过程进行数值分析，探讨了围岩与衬砌材料的变形与应力变化规律。

现以武汉市光谷一路—高新四路排水通道工程为例，运用有限元分析软件PLAXIS，建立双侧壁导坑法隧道计算模型，对隧道开挖和支护全过程进行数值分析，对双侧壁导坑法隧道不同施工阶段下的地表沉降和拱顶沉降等进行分析。

1 工程实例

1.1 工程概况

双侧壁导坑法施工方案适用于S6a/S6b 区段隧道，起讫里程分别为K0+122.421～K0+180.00、K0+505.00～K0+944.63。其中，初期支护采用CF30 钢纤维喷射混凝土；二次衬砌采用C35P8 混凝土。隧道开挖后应及时施作相应的初期支护，初期支护稳定后施作二次衬砌。隧道洞身采用复合式衬砌，以锚杆、钢筋网喷混凝土、钢拱架为初期支护，模筑混凝土和钢筋混凝土为二次支护。开挖施工时，全断面分6 部分依次开挖并进行支护，如图1 所示，施工顺序为Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅵ。

图1 双侧壁导坑法隧道横截面及施工支护情况

1.2 地形地貌

据区域地质资料，拟建场地位于野芷湖倒转背斜核部南翼，沿线及附近场地无第四系全新统活动断裂分布。据勘察资料揭露，拟建场地下伏基岩包括志留系泥岩、泥盆系石英砂岩、石炭系灰岩、二叠系硅质岩、炭质泥岩、泥质砂岩及灰岩、三叠系灰岩及泥灰岩，埋深为0～10.0 m，其中灰岩为可溶性岩，勘探过程中揭露有溶洞。

2 数值模型建立

2.1 计算模型

结合场地地质资料和设计资料，在S6a、S6b 区段选取典型断面，并采用PLAXIS 2D 软件，分别建立有限元计算模型，开展数值模拟计算。两个典型断面的地质情况如下。

1）S6b 区段选取AK0+675 附近下覆红黏土层截面为研究对象。AK0+675 附近高程为37.07 m，场地内地层概况为：地表分布有厚薄不均的人工填土，其下依次为黏土和红黏土，再往下为灰岩。隧道穿越黏土层，宽为13.56 m，高为7.01 m。模型地表以下依次分布着1.9 m 深的人工填土，18.0 m 深的黏土，4.0 m 深的红黏土和13.0 m 深的灰岩。

2）S6a 区段选取AK0+175 附近隧道截面为研究对象。AK0+175 附近高程为37.59 m，场地内地层概况为：地表分布有厚薄不均的黏土，其下依次为9-1-1 强风化泥岩、9-1-2 中风化泥岩。隧道穿越9-1-2 中风化泥岩层，宽为13.44 m，高为6.89 m。模型地表以下依次分布着2.5 m 深的黏土，2.5 m 深的9-1-1 强风化泥岩和35.5 m 深的中风化泥岩。

充分考虑开挖影响范围和边界效应，计算模型水平方向总长取100 m，竖直方向视土层深度而定。计算模型的两侧边界采用法向约束底部边界采用全约束（法向、切向约束）。

计算分析中，土体采用三角形15 节点单元进行模拟，S6b 区段单元数目为715，节点数目为6 068；S6a 区段单元数目为878，节点数目为7 298；有限元计算网格划分如图2 所示。其中，初衬、二衬及临时衬砌均采用板单元模拟，锚杆等效到周围土体参数中，其余均采用实体单元模拟，衬砌与土体接触面上设置接触单元。

2.2 计算参数

计算分析中，土体采用摩尔-库仑模型，采用等效的方法将锚杆加固区土体刚度及黏聚力c、内摩擦角φ进行等效。初衬及临时衬砌喷射混凝土及钢拱架经等效后得到的等效厚度及刚度赋值于板单元中模拟，二衬采用C35 强度等级混凝土。计算参数见表1～表4。

表1 S6b 区段土层计算参数

表2 S6a 区段土层计算参数

表3 S6b 区段衬砌计算参数

表4 S6a 区段衬砌计算参数表

2.3 计算步骤

施工过程严格按照设计资料进行数值模拟。施工中按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ顺序分部开挖，每部开挖后施作相应的初期支护1、2、3、4、5、6 及相应的临时支护，全断面开挖完成后及时施作仰拱7，然后及时进行二次衬砌8 施工。双侧壁导坑法隧道计算步骤见表5。

表5 双侧壁导坑法隧道计算步骤

3 计算结果分析

3.1 地表沉降分析

暗挖区间隧道的开挖必定会对地表造成沉降变形。根据工程环境条件，本暗挖区间段处于繁华地段，对于地表的沉降控制较为严格。通过对不同区段的数值模拟计算，可以对施工过程导致的土体变形有先验性的认识。图3 和图4 分别显示了S6b、S6a 区段的各个计算步骤的土体竖向位移云图。图5 和图6 分别展示了S6b、S6a 区段隧道开挖过程中的地表沉降分布曲线。

图3 S6b 区段竖向位移云图

图4 S6a 区段竖向位移云图

图5 S6b 区段地表沉降曲线

图6 S6a 区段地表沉降曲线

由图3、图4 可以看出，在隧道开挖过程中，洞周土体均发生不同程度的变形，随着施工阶段的进行，土体位移逐渐增大。由于左侧导坑先行开挖，造成左侧地表率先产生沉降变形。开挖完成以后，最大的沉降变形发生在隧道中轴线对应的地表处。同时，从图5、图6 可以看出，随着隧道的开挖，地表沉降最大值逐渐增大。施作二衬后，地表沉降最大值及沉降槽范围均有所减小。隧道开挖完成后，地表横向沉降槽形状基本与Peck 曲线相近。S6b 区段地表最大沉降值为2.1 mm，地表沉降槽影响范围在隧道轴线20 m 范围内。S6a 区段地表最大沉降值为1.2 mm，地表沉降槽影响范围在隧道轴线20 m 范围内。

3.2 拱顶沉降及拱底隆起分析

图7 和图8 分别为S6b 及S6a 区段双侧壁导坑法隧道开挖过程中支护结构的竖向位移图。不同区段隧道拱顶沉降及拱底隆起最大值见表6 和表7。从图7、图8 可以看出，采用双侧壁导坑法进行区间隧道的开挖时，隧道拱顶及拱底的中间部位产生较为明显的变形，且拱顶沉降及拱底隆起最大值发生位置随施工阶段的不同而发生变化，其中S6b 区段开挖下导坑对拱顶沉降有一定的抑制作用，原因是临时支撑及时施作起作用。S6a 区段由于拱顶沉降值相对很小，所以开挖下导坑对拱顶沉降的抑制作用并不明显。

表6 S6b 区段拱顶及拱底竖向位移值

表7 S6a 区段拱顶及拱底竖向位移值

图7 S6b 区段拱顶及拱底竖向位移图

当施工完成后，S6b 区段双侧壁导坑法的拱顶沉降最大值为6.9 mm，拱底隆起最大值为7.9 mm，均发生在隧道轴线处。S6a 区段双侧壁导坑法的拱顶沉降最大值为2.8 mm，拱底隆起最大值为7.3 mm，同样发生在隧道轴线处。

4 结论

以光谷一路—高新四路排水通道工程为例，运用有限元分析软件PLAXIS，对双侧壁导坑法隧道建立有限元模型，重点对隧道开挖引起的地表沉降和拱顶沉降变化规律进行分析，得到以下结论：

1）在隧道开挖过程中，洞周土体均发生不同程度的变形。开挖完成后，地表沉降曲线呈凹槽型，其形状与Peck 曲线相近，同时产生地表沉降的最大值在隧道轴线对应的地表处。S6b 区段地表最大沉降值为2.1 mm，地表沉降槽影响范围在隧道轴线20 m 范围内。S6a 区段地表最大沉降值为1.2 mm，地表沉降槽影响范围在隧道轴线20 m 范围内。

2）隧道开挖过程中，开挖侧导坑依次产生较为明显的变形。开挖完成后，隧道衬砌竖向位移沿轴线对称，其中S6b、S6a 区段双侧壁导坑法的拱顶沉降最大值分别为6.9、2.8 mm，拱底隆起最大值分别为7.9、7.3 mm，且最大值发生位置均在隧道轴线对应的拱顶及拱底处。