复合支护地铁隧道临时支护变形特征分析

摘 要：为进一步提高地铁隧道开挖过程中隧道围岩的支护效果，本研究结合工程实际，考虑隧道受载不对称、埋深浅、围岩薄弱等特点，采用MIDAS有限元软件分析二次开挖隧道临时钢支撑支护的影响效果及变形特征。试验结果表明，受非对称荷载影响，隧道右拱肩沉降明显。临时钢支架的存在大大减少了拱肩处围岩的沉降，左拱肩上的最大拉应力从0.35MPa降至0.16MPa，下降了54.3%。同时，拉应力范围缩小，部分区域的应力状态由拉变为压，有利于围岩的稳定。上台阶临时钢支撑变形经历4个阶段：收敛、扩展、融合和稳定；下台阶变形经历收敛、扩张、收敛、扩张、稳定5个阶段。

关键词：地铁隧道；临时支护；变形特征；钢支撑

中图分类号：U 45 " 文献标志码：A

当在上软下硬地层开挖浅埋地铁隧道时，上覆地层容易出现过度沉降甚至坍塌。因此，为保障隧道开挖过程的安全和保证稳定[1]，通常采用管顶进行超前预加固，并采用中隔墙法（CDM）组合来开挖隧道，CDM可以在隧道中部预留钢墙支护。国内外隧道工程领域的专家从现场监测、数值模拟和模型试验3个方面对临时支护进行了大量研究[2-3]。

然而，上述研究大多是基于传统地层，隧道挖掘方法较为简单。在复杂地质条件下的CDM隧道的挖掘过程中，对临时钢支承的影响和变形特性的研究较少，需要进一步分析。基于此，本文以某地铁3号线隧道为基础，利用MIDASGSTSNX有限元软件，建立浅层隧道的数值计算模型，并模拟非对称荷载浅隧道的CDM挖掘过程。同时，分析临时钢支撑作用下围岩变形的演化规律。该结果可以为类似大截面隧道挖掘提供新的理论依据。

1 工程背景和挖掘方法

1.1 工程地质

某地铁3号线隧道浅埋段穿越中风化钙质泥岩。在该隧道右侧，与隧道平行的山坡长度和高度分别为60m和30m，其斜率为1∶1[4-5]。在隧道顶部位置钻孔可以获得隧道上覆岩土层的信息[6]。本隧道风化岩土层自上而下依次为基层填土、全风化泥岩、强风化泥岩、中风化钙质泥岩。根据地质调查报告获得地表以上土层的信息。表1为各地层的岩性、分布厚度和代表性符号。

隧道顶部范围为强风化泥岩。局部地段岩体节理、裂隙密集，自稳性差。在开挖过程中，岩石容易剥落，甚至有局部坍塌的危险。为保障开挖安全，采用管顶预注浆加固冠部围岩，并在隧道四周及时铺设钢格栅，且采用多根工字钢纵向连接形成的垂直墙对冠部进行支撑[7]。

1.2 隧道开挖方法

隧道埋深为10.7m，隧道断面开挖高度10m，最大宽度13m，断面面积约为102.6㎡。由于岩体破碎和单侧山体侧压力的耦合作用，因此该大断面隧道围岩自稳性较差，支护结构存在迁移风险。在施工过程中，随着隧道工作面推进，逐步采用管顶预注浆加固围岩，并采用CDM法开挖隧道。具体技术流程如下。挖掘左侧上部台阶（每步1m），同时安装钢格栅、临时钢支撑和锁脚螺栓→挖掘左侧下台阶（每步1m），同时安装钢格栅、锚杆和临时钢支撑→挖掘右侧上台阶（每步1m），同时安装钢格栅和锁脚螺栓→挖掘右侧下台阶（每步1m），同时安装钢格栅和锚固件，逐步进行循环挖掘。

隧道侧壁上有4个锚杆，长度为4m，纵向间距为1m，锚杆性能见表2。围岩支护采用C25混凝土，喷射混凝土厚度为18cm。临时钢支撑采用18号工字钢，其弹性模量为210GPa，截面惯性矩为1659.45cm4。钢格栅由ø25mm主钢筋和ø14mm连接钢筋组成。其弹性模量为210GPa，横截面惯性矩为3686.76cm4。

隧道临时钢支撑为细长结构。考虑隧道开挖过程中容易出现失稳，为保证其稳定性，底部采用特殊的钢板结构支座，支座采用螺栓固定。图1为临时钢支撑下端的固定方式。

2 数值分析

2.1 建筑模型

采用MIDASGTSNX有限元软件，用CDM模拟该隧道的开挖过程。计算范围：X×Y×Z=90m×60m×50m，如图2所示。边界条件：在模型的前、后、左、右边界上施加水平位移约束。在底部边界施加垂直位移约束。表面为自由边界。

网格划分：地层、挡土墙和注浆加固区采用六面体实体单元模拟，单元数为161769个，节点数为143226个。管顶、临时钢支撑和连接钢筋采用梁单元模拟，单元数为5680个，节点数为5819个。钢格栅、隧道侧壁和混凝土喷射层采用板元素模拟，元素数为4569，节点数为5158。锚杆采用嵌入式桁架元素，元素数为2898，节点数为3556。元素总数为174916个，节点数为157759个。

2.2 基本假设

鉴于地下隧道段的位置，地层自上而下由路基填土、全风化泥岩、强风化泥岩和中风化钙质泥岩组成。隧道开挖的数值模拟符合以下假设。1）将各地质层、管顶注浆和固体视为均质各向同性介质。2）隧道围岩、临时钢支架和管顶灌浆的变形和破坏符合经典弹塑性理论。3）不考虑隧道开挖引起的扰动对结构本身的影响和构造应力的影响，只考虑自重对结构自身的影响。采用MIDAS软件中的围岩重力计算初始水平应力。在数值模拟过程中，建立隧道开挖的三维模型，进一步分析临时钢支撑的影响，并研究隧道开挖过程中临时钢支撑对围岩压力和位移的影响，并对其应力和变形进行分析。共设置6个测量点（A、B、C、D、E和F）来监测拱顶和拱肩的沉降，并设置两条水平测量线（1-1和1-2），分析临时钢支架的水平位移。

3 结果与讨论

3.1 围岩应力

在开挖过程中，围岩的破坏与围岩的最大主应力有关。因此，本文分析了灌浆区及其他部位围岩的最大主应力。图3为开挖过程中围岩的应力分布情况。

在有无临时钢支撑的隧道开挖过程中，围岩第一主应力的分布是一致的。所有开挖完成后，最大拉应力从1.12 MPa变为0.90 MPa，最大压应力从−1.19 MPa变为−1.07 MPa。变化并不明显。临时钢支撑对围岩第一主应力极值的影响可以忽略不计。受不对称荷载的影响，隧道周围的应力状态复杂，最大拉应力出现在拱肩和隧道底部附近。临时钢支撑有利于改善隧道围岩的应力状态，特别是左拱肩和隧道底部的围岩应力。对比图3（b）和图3（d），在临时钢支架安装后，左拱肩上的最大拉应力从0.35 MPa降至0.16 MPa，下降了54.3%。同时，拉应力范围缩小，部分区域的应力状态由拉变为压，有利于围岩稳定。临时钢支撑使左拱肩围岩的应力分布更加合理。在隧道开挖过程中，临时钢支架两端的围岩产生较大的应力集中，容易发生局部破坏。临时钢支撑应注意柔性支撑设计。

3.2 临时钢支撑的力学特性分析

在隧道开挖过程中，左上台阶①位于隧道的左侧上部。左下台阶②位于隧道的左侧下部，右上台阶③位于隧道的右侧上部，右下台阶④位于隧道的右侧下部。采用MIDAS提取横截面y=30m的两条水平测量线1-1和1-2的数据。隧道开挖过程的收敛变化如图4所示。从图4可以看出，上、下台临时钢支撑相对水平收敛的变化规律基本相同。在开挖过程中，上、下台钢支撑的最大收敛量分别为-8.9mm和-11.9mm，最大膨胀量分别为6.9mm和17.5mm。左上台阶①开挖后，上台阶钢支撑（测量线1-1）的水平收敛迅速增至-6.6mm。左下台阶②开挖后，水平收敛逐渐增至-6.9mm。此时，临时钢支撑承受垂直围岩压力和侧向土压力。随着开挖的逐步推进，压力增加，水平收敛也随之变大。同时，下部台阶钢支撑（1-2号测量线）的水平收敛迅速增至11.0mm。右上台阶③开挖后，上台阶钢支撑相对水平位移由-6.4mm变为6.9mm，变化幅度为13.3mm。变化主要原因为右上台阶③开挖时，上台阶钢支架右侧土压力释放，其相对水平位移状态由收敛逐渐变为膨胀。同时，下台阶钢支架的相对水平位移从−11.0mm增至17.5mm，增幅为28.5mm。右上台阶③开挖使下台阶钢支撑右侧的土压力进一步释放，导致其收敛值减少。临时钢支撑收敛和扩张分别向左和向右移动。左上台阶①和下台阶②开挖会使临时钢支架收敛，右上台阶③和下台阶④开挖会引起膨胀。上台阶钢支架变形主要受左上台阶①和右上台阶③开挖的影响，下台阶钢支架的变形主要受右上台阶②和下台阶④开挖的影响。上部台阶钢支架的变形经历4个阶段：收敛、膨胀、收敛和稳定。下台阶钢支架的变形经历了收敛、膨胀、收敛、膨胀和稳定这5个阶段。

4 结论

结合数值模拟和现场监测，本文探讨非对称加载隧道开挖过程中临时钢支撑的变形和力学特性。得出以下结论。1）在有无临时钢支撑的隧道开挖模拟过程中，周围的应力分布基本相同。钢支撑使左幅最大拉应力从0.35MPa降至0.16MPa，降幅达到54.3%。同时，拉应力区域面积缩小，更有利于围岩的稳定。2）上、下台临时钢支撑相对水平收敛的变化规律基本相同。在开挖过程中，上、下台钢支撑的最大收敛量分别为-8.9mm和-11.9mm，最大膨胀量分别为6.9mm和17.5mm。

参考文献

[1]叶爱军，尚传凯，赵凯，等.基坑开挖方式与施工顺序对邻近隧道及地层变形影响分析[J].甘肃科技，2023，39（12）：5-10.

[2]詹德胜，董康强，靳自强，等.高含水量火山堆积层隧道开挖失稳特性与处治[J].现代城市轨道交通，2023（12）：85-89.

[3]梁科峰.分区开挖顺序对深基坑支护结构变形影响情况分析[J].宁波工程学院学报，2023，35（4）：17-24.

[4]潘红伟，李军，王永刚，等.基于现场实测的流砂偏压隧道围岩大变形特征分析[J].铁路工程技术与经济，2023，38（6）：20-24，34.

[5]于维刚，宋常胜，孙智海，等.深埋长大软岩隧道施工围岩稳定关键技术研究—以九绵高速公路白马隧道为例[J].现代隧道技术，2023，60（增刊1）：214-221.

[6]罗战友，葛政，黄曼.非对称荷载作用对深基坑支护体系影响的数值模拟研究[J].绍兴文理学院学报，2023，43（10）：58-65.

[7]姚志雄，周岐窗，郑国文，等.不良地质条件特大断面隧道支护特性研究及工程应用[J].现代隧道技术，2023，60（5）：88-98.