浅埋连拱隧道施工动态响应特征研究①

陈 兆，王海林，蒋 源

（湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410200）

明挖基坑因具有高效、快速、容易组织施工等优点而被广泛应用于地铁车站建设中，而实际建造过程中，面对管线迁改量大、交通疏解困难、周边建筑物众多等复杂施工环境，大规模基坑开挖难以实施，局部连拱隧道暗挖方法应运而生。暗挖隧道由于需要下穿建筑、管线等设施，其自身结构稳定性以及不同施工方案均对上部环境有一定影响，因此，研究其动态施工过程具有重要的现实意义［1⁃13］。

本文以广东某地铁车站工程为实际依托，采用现场监测与三维数值模拟相结合的方法重点研究连拱隧道中导洞法开挖过程中围岩、支护结构、中隔墙等结构的应力分布情况以及地表沉降等指标的动态响应特征，研究结果可为浅埋连拱隧道暗挖施工关键部位的确定提供指导。

1 工程概况

地铁车站有效站台中心里程为YDK8＋711.600，起点里程为YDK8＋292.340，终点里程为YDK8＋807.000。其中YDK8＋292.340～YDK8＋378.340为86 m暗挖段，该段为单层双连拱隧道，标准段宽24.86 m、高11.24 m、埋深21.17 m，采用中导洞法施工。暗挖段地层由上至下依次为填土层、可塑状粉质黏土层、全风化碎屑岩层、强风化泥质粉砂岩层以及微风化泥质粉砂岩层。根据“短开挖、强支护、快封闭”原则，隧道中导洞分台阶开挖，台阶高度由上至下依次为4.8 m、2.7 m、1.1 m；侧洞采用CRD法开挖。连拱隧道开挖顺序见图1。

图1 连拱隧道开挖顺序

2 数值模型建立

为研究连拱隧道中导洞法施工过程中隧道洞身及周边地层动态响应特征，利用数值模拟软件构建了如图2所示的有限元模型。模型尺寸175 m×60 m×65 m，隧道至侧部边界围岩宽度取3倍洞跨，至底部边界取3倍洞高［10］，为提高模拟精度，对隧道周边网格进行加密处理，最终模型被划分为约6.9万个单元。

图2 连拱隧道数值模型

数值模型地层采用Mohr⁃Coulomb本构关系，支护结构采用线弹性本构关系，对地层和支护结构赋予的计算参数见表1。模拟过程中，模型底部边界设置竖向位移约束，侧面设置法向位移约束，上表面为自由面，计算荷载考虑围岩自重。

表1 地层及支护结构物理力学参数表

3 动态响应特征分析

3.1 围岩应力重分布状态分析

图3为中导洞开挖过程中隧道周边围岩应力重分布状态。中导洞上台阶开挖，开挖卸荷作用导致原土体承受的地应力转移至硐室两侧壁，随中台阶和下台阶开挖，应力集中区域不断向下延伸，但应力最大值仅由0.84 MPa增大至1 MPa，原因在于上台阶开挖已释放一部分地应力，中下台阶开挖对周边围岩影响相对较小。图3（d）显示，中导洞贯通后应力集中区域主要分布在中导洞的两竖直侧壁处，最大值约1 MPa，随距离侧壁位置变远，应力不断降低。

左侧洞CRD法开挖围岩应力分布见图4。左洞左上台阶的开挖导致应力集中区域向左侧扩展，此时侧洞左侧接近拱腰处以及开挖上台阶与中导洞之间的区域均分布有较大的应力；左洞左下台阶开挖导致应力集中区域增大，侧洞拱腰部位以及右上、右下台阶处均存在应力集中现象；左洞右上台阶开挖导致侧洞围岩丧失大部分承载能力，地应力明显向中隔墙转移，此时右上台阶掌子面、右下台阶以及中隔墙偏向左侧洞方向均出现了最大应力，并随右下台阶开挖围岩应力增大继续增大。本研究中，右侧洞开挖围岩应力变化规律与左侧洞相似，随右洞开挖中隔墙应力不断增大。

图4 左侧洞CRD法开挖围岩应力分布

图5为隧道施工完成后周边围岩应力分布云图。此时地应力主要由中隔墙及支护结构承担，中隔墙上最大应力达到7.03 MPa，侧洞拱腰及拱顶部位同样存在应力集中，大小0.70～1.55 MPa。

图5 隧道施工完成后周边围岩应力分布

（a）中导洞上台阶开挖；（b）中导洞中台阶开挖；（c）中导洞下台阶开挖；（d）中导洞开挖完成

3.2 支护结构应力分布

图6为侧洞开挖完成后支护结构的应力分布状态，图中表明侧洞靠近中导洞的上下台阶部位均出现了拉应力，且上台阶初支结构受拉特征更为明显，达到1.67 MPa。压应力则主要集中在侧洞远离中导洞的上台阶部位，该部位的压应力最大可达4.48 MPa。相比而言，侧洞远离中导洞的下台阶部位在支护结构中受力最小。

图6 初支结构应力分布

3.3 中隔墙应力变化分析

作为连拱隧道的核心区域，中隔墙对于施工以及后期运营过程中连拱隧道的安全稳定具有重要作用，分析隧道施工不同环节中隔墙应力变化情况，可以有效防止不可逆转的倾覆。为了获取隧道施工过程中中隔墙应力变化规律，分别在洞口处中隔墙顶纵梁、中柱以及底纵梁布置测点，获取侧洞开挖阶段中隔墙应力变化曲线如图7所示。图中横坐标“施工阶段”代表施工步，即每步长导洞开挖或支护结构施工即为一个施工阶段。观察发现，3条曲线形态相似，施工阶段23～25和28～30应力增大明显，原因在于这两个阶段分别对应左洞靠近中导洞上下台阶以及右洞靠近中导洞上下台阶的开挖，结合围岩应力动态变化分析结果可知，这两个阶段侧洞与中导洞临空面连通，地应力被转移至初支结构及中隔墙上，中隔墙应力增幅明显，而在掌子面远离监测面20 m后曲线保持水平，表明该处掌子面施工已对中隔墙无影响。图中显示，中隔墙底纵梁承受应力最大而顶纵梁承受应力最小，因此需要注意提高底纵梁施工质量，保证中隔墙承载能力。

图7 中隔墙应力变化曲线

3.4 地表沉降规律

为研究浅埋连拱隧道中导洞法开挖过程地层动态响应特征，选取30 m处隧道断面作为监测面，在其地表布置监测线并将隧道开挖过程中地表沉降数据绘制成如图8所示的沉降曲线。沉降曲线呈正态分布，中导洞开挖至监测面时，中导洞轴线处沉降值最大，为1.61 mm；左洞开挖出现偏压现象，地表沉降最大部位向左侧洞偏移，左洞开挖至监测断面时沉降最大值达到3.38 mm；右洞开挖对称临空面的出现逐渐消除偏压现象，沉降最大部位再次转移至隧道轴线处，沉降值为6.50 mm；隧道施工完成后地表最大沉降值为7.20 mm，沉降最大部位位于隧道轴线处，且随地层远离隧道轴线沉降值逐渐减小，在测点至隧道轴线距离大于25 m后地表几乎不受隧道开挖影响。另外，由于侧洞断面尺寸大于中导洞，其对地表产生的影响更为显著，中导洞开挖至监测断面时沉降值增大了1.61 mm，而右洞开挖至监测断面时沉降值增大了4.89 mm。侧洞施工过程中应适当增大监测频率。

图8 地表沉降曲线

4 现场监测结果

为掌握连拱隧道暗挖施工对地表环境的影响并验证模拟结果的可靠性，采用钻孔方式在地面埋设沉降测点，测点间距5 m，隧道上方适当加密，对车站周边70 m范围地表沉降情况进行监测，地表沉降测点埋设示意见图9。

图9 地表沉降测点埋设示意（单位：mm）

根据实际工程进度，目前仅中导洞开挖至监测断面，图10为现场实际监测曲线与模拟曲线的对比。由于现场工程环境复杂，监测干扰因素多，且地层并非标准层状分布，模拟沉降最大值1.61 mm，小于实际监测得到的2.65 mm，但模拟曲线较好地反映了地表沉降规律以及开挖影响范围，故可以利用数值模拟手段获取浅埋连拱隧道开挖过程中地表沉降规律，排查安全隐患，为暗挖施工提供指导意见。

图10 现场实际监测曲线与模拟曲线

5 结 论

针对浅埋连拱隧道暗挖施工稳定性问题，以实际工程为依托，研究了隧道开挖过程中围岩、支护结构、中隔墙等结构的应力分布情况以及地表沉降等指标的动态响应特征，获得以下结论：

1）中导洞开挖过程中，上台阶开挖对围岩应力影响较明显，达0.84 MPa，隧道完成后地应力主要由中隔墙及支护结构承担，中隔墙上最大应力达7.03 MPa，侧洞拱腰及拱顶部位同样存在应力集中，大小为0.70～1.55 MPa；侧洞靠近中导洞的上台阶初支结构拉应力达1.67 MPa，侧洞远离中导洞的上台阶初支结构压应力达4.48 MPa；侧洞靠近中导洞侧台阶开挖时中隔墙应力增幅明显，掌子面远离监测面20 m后施工已对中隔墙无影响，中隔墙底纵梁承受应力最大；左侧洞开挖会出现偏压现象，最终地表沉降最大部位位于隧道轴线处，沉降最大值为7.20 mm，沉降区域半径约25 m。2）将现场监测数据与数值模拟结果对比，模拟沉降最大值小于实际监测值，但模拟曲线较好地反映了地表沉降规律以及开挖影响范围。