科技信息 工程技术 大断面浅埋暗挖隧道旋工边程三维数值模拟 中铁十九局集团有限公司 刘超 ［摘要］对隧道的整个施工过程进行数值模拟，通过分析地表沉降、围岩塑性区发展变化趋势及管棚和初期支护的受力情况，验证 了管棚预支护、超前小导管注浆加固能够满足工程控制地层变形的需要。研究成果对该工程的施工具有理论指导意义，对其他类似 的工程也具有借鉴意义。 ［关键词］数值模拟 浅埋隧道 掌子面稳定 浅埋隧道施工对周围地层造成的影响取决于隧道的开挖方式和支 护形式，是典型的三维空间问题。通过对浅埋暗挖隧道整个施工过程数 值模拟，分析每一次开挖与支护对地层沉降和掌子面稳定的影响。 １．工程简介 本文以某大断面暗挖通道为背景，该工程下穿街道，埋深４．７～ ５．４ｍ，上覆土体中管线较多，拟采用浅埋暗挖法施工，并辅以管棚钢管 预支护、小导管注浆预加固等措施。其暗挖通道的横断面见图１。 … ………。 量 图１暗挖通道横断面图 该工程位于粉土、砂性大粉质粘土层中。针对粉质粘土地层的特 点，采用了管棚预支护、ＣＲＤ分１２步的开挖方法、每个小导洞采用环形 开挖留核心土法，０．５ｍ短循环进尺；格栅钢架、钢筋网、喷混凝土联合支 护体系；掌子面喷射混凝土临时封闭；施设拱脚锁脚锚管等综合措施。 上下导洞错开１．０～Ｉ＿５ｍ，左右导洞错开３．０～４．Ｏｍ，避免各个导洞开挖 的相互影响。 ２．计算说明 计算模型尺寸为３９．７ｍ×１７．２５ｍ×１５ｍ，如图２所示。隧道底面距 地表１１．２５ｍ。坐标原点定义在隧道底板，ｚ轴向上，Ｙ轴沿隧道方向。 图２计算模型图 数值模拟计算采用拉格朗日有限差分法。其中，土体单元采用 Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ（摩尔一库仑）模型，管棚钢管采用ｐｉｌｅ单元模拟。 计算中要考虑掌子面前方土体的加固，隧道采用ＣＲＤ法分块分步 开挖，将整个断面划分为１２个小导洞，具体的施工工序如下： １）施作管棚； ２）注浆小导管超前加固掌子面前方３ｍ范围的土体； ３）开挖ｔｌ导洞，采用环形开挖预留核心土法，每次掘进０．５ｍ，开挖 后立即施作初期支护，再开挖０．５ｍ，施作初期支护……如此循环； ４）开挖其他导洞，上下导洞错开１～２ｍ，左右导洞错开３～４ｍ。 初期支护是由钢拱架＋钢筋网＋喷射混凝土等构成的，在数值计 算中没有明确的模拟钢拱架，而是将钢拱架和喷射混凝土结合在一起 考虑，统一采用ｌｉｎｅｒ单元模拟。 为了能够真实的模拟整个施工过程，计算所采用的步骤与施工工 序相一致。在整个计算中始终对地表下沉和隧道进行监测，分析土体的 沉降特点，塑性区的发展和管棚、支护的受力情况。 ３．计算参数 １）土体的参数 土体单元采用摩尔一库仑模型。计算中土体参数参考该工程的勘 察报告和本分析的目的选取，具体见表１。 表１土体计算参数取值表 弹性模量 泊松比 粘聚力 摩擦角 密度 Ｅ／ＭＰａ ｃ／ＫＰａ ｐ／ｋ＃ｍ３ 原状土 ７．５ Ｏ．３５ Ｉ２．５ ２５ １９７０ 注浆加固土 １２．５ Ｏ．２５ １５ ３０ ２２ＯＯ ２）管棚的参数 管棚钢管的计算参数按 １３３×８ｍｍ的钢管计算，并考虑钢管内 注浆的影响。取水泥砂浆的弹性模量Ｅ ＝３０ＧＰａ，ｐ ＝２０００ｋｇ／ｍ ，钢管 的弹性模量Ｅ ＝２０６ＧＰａ，ｐ￣＝７８５０ｋｇ／ｍ 。管棚的计算参数按ＥＩ＝Ｅ ＱＥＪ 进行换算。 则管棚的参数如下： Ｅ＝９１．６ＧＰａ Ｉ＝１５３５．９５ｃｍ ｐ＝３３２３ｋｇ／ｍ ｖ＝０．１ ３）初期支护的参数 初期支护按钢拱架和３０ｃｍ厚的喷射混凝土结合在一起综合考虑， 其参数取值如下： Ｅ＝２１ＧＰａ ｖ＝Ｏ．２ ｐ＝２２００ｋｇ／ｍ ４．计算结果分析 ４．１地表沉降形态特点分析 城市浅埋暗挖隧道施工，地表沉降是隧道开挖所控制的关键因素， 本计算中监测各计算步地表的沉降变化情况，如图３所示。 地衷点到ｘ轴的距离 ２０ ０ —１５ ０ —１０．０ —５（晶）０ ０ ５ ０ １０ ０ １５ ０ ２０ ０ ０ ０００ １宅 ●．－—ｄ只 ＝ ， Ｐｒ ０．００５ ■—誊 ？＿ ０ ０１０ 一 ｆｊ＂—一 ０ ０１５ ＼＼ ／／ 一ｓ—ｔｅｐ４二：二 ＼ ０ ０２０ ／ ０ ０２５ 一ｓｔｅｐ１１ ．Ｏ ０３０ ——十一 ｔｅＤ１ 图３各计算步地表分布图 从图３可知，地表沉降的波及范围及最大沉降值随着开挖断面的 增大而增大。地表波及范围大致在隧道中心轴线两侧１７ｍ，隧道正上方 的沉降大，两侧的沉降较小。当开挖ｔｌ导洞时，开挖断面较小，对隧道 开挖造成的地层位移未波及到地表，地表沉降较小，但随着开挖断面的 不断增大，地表沉降的范围不断扩大。施工时在影响范围内布置测点， 隧道上方较密，两侧较疏。 ４．２围岩塑性区分析 隧道开挖、支护后，周围围岩受到施工扰动，使得原有的平衡状态 被打破，ｌ临空面的出现，引起了围岩应力的重新分布，切向应力在临空 面附近发生高度集中，当应力集中到一定程度，导致该区域出现塑性状 态。随着开挖断面的不断推进，应力集中的区域不断转移，从而塑性区 域不断向纵深发展。 隧道施工的各个阶段，掌子面前方土体和拱底部位均出现不同程 度的塑性区。随着开挖断面的不断扩大，其塑性区亦不断发展。图４给 －－－——３２３．．．—— 科技信息 工程技术 图７、图８给出了初期支护的法向应力和切向应力。 出了隧道纵向的塑性区分布情况，随着隧道的不断推进，塑性区不断向 前发展。 图４隧道纵向围岩塑性区分布图 ４＿３管棚及初期支护受力分析 ４．３．１管棚的受力情况 图７初期支护正应力分布图 图８初期支护切应力分布图 从图中可以看出，初期支护在拱脚处、直墙与拱顶的转角处的应力 变化较大，存在应力集中现象。初期支护在该处所受内力较大。 ５＿，ｊ、结 图５管棚所受的竖向力 由图５分析可知： 图６管棚所受的弯矩 １）在隧道开挖过程中，管棚的竖向力的作用范围不断扩大，且在开 挖面附近的竖向力增加明显，表明在开挖过程中受扰动的围岩范围逐 步增大，管棚的竖向荷载作用范围也逐步增大。 ２）在开挖面附近，管棚的竖向力主要表现为负值，即作用力方向竖 向向下，主要由于该段管棚承受临空面上方的土体覆重；开挖面后方已 施作初期支护段，管棚的竖向力既有负值，也有正值，主要是该段初期 支护施作完毕后，管棚与初期支护相互作用共同承担围岩压力；在开挖 面前方一定范围，管棚的竖向力主要表现为正值（垂直向上），主要由于 已开挖未支护段的压力通过管棚传递给后方的初期支护和前方的土 体，使管棚与围岩接触压力大于垂直围岩压力。 由图６分析可知： 通过对浅埋暗挖隧道施工过程的数值模拟，分析了施工不同阶段 的地表变形、塑性区发展及管棚和初期支护的受力情况。 在开挖过程中，隧道周围的围岩会发生变形，主要表现为拱顶下 沉、拱底隆起、两侧向内空收敛。当开挖断面相对较小时，隧道开挖影响 地层位移的范围有限，并未波及到地面，但随着开挖断面的不断扩大， 受影响的区域亦不断扩大，形成一个沉降槽的区域，但主要位于隧道正 上方，向两侧的影响很小。随着开挖断面的增大，沉降槽不断发展，随着 离开隧道的距离的加大沉降注浆减小。但其沉降值均在可控范围内。施 工时应加强量测，根据监测信息，及时调整施工参数，保证施工安全。 从围岩塑性区的随着隧道开挖迅速发展，说明各导洞之间开挖的 相互影响不容忽视，施工中必须给予足够的重视，必要时采取适当的措 施以确保施工安全。数值计算中上下导洞错开１．０ｍ，左右导洞错开 ４．０ｍ，而在实际施工中，应加强监控量测，根据监测数据分析围岩的变 化，并与数值模拟的结果进行比较，指导下一步施工。 从管棚的受力情况可知，管棚在纵向存在“梁效应”，可以有效地承 担上覆土体作用，控制地层变形。初期支护结构的受力情况表明，在转 角处存在着应力集中现象，支护结构所受的内力较大。施工时应埋设钢 筋应力计等，监测钢拱架的受力状况，通过监测数据与计算结果对比， 分析管棚的受力状态。 参考文献 ［１］姜志强，松，张书丰．地铁隧道管棚支护下矿山法施工数值 １）图中弯矩负值主要位于隧道开挖未支护的临空段，且随着开挖 面的不断推移，弯矩的负值段亦不断向前推移。 ２）在开挖面附近，管棚的弯矩主要表现为负值，即下侧受拉；开挖 面后方已施作初期支护段，管棚的弯矩为正值；在开挖面前方一定范 围，管棚的弯矩主要表现为正值。隧道开挖后，临空段的管棚承受上覆 土体荷载而产生弯曲变形，通过管棚传递给后方的初期支护和掌子面 前方土体。 从上述分析可知，隧道开挖时管棚沿隧道纵向有“梁效应”存在，在 上覆土体荷载作用，管棚受到弯矩和剪力作用，且其受力状态随着开挖 面的不断推进而在不断发生变化。其中，管棚钢管最大弯矩值为 ３３．０５ｋＮ·ｍ，最大剪力为４７．２２ｋＮ，经验算均满足管棚钢管变形要求。 ４．３．２初期支护的受力情况 （上接第３２２页） 自云岩、泥质白云岩与强含水的永宁镇组第三段 （Ｔｌｙｎ３）灰岩、白云岩岩组交界面，由于前方地层岩组富水且地下水位 较高，而发生揭穿型岩溶涌水。此外，因隧道地表为一溶蚀槽谷，槽谷底 部分布了较厚的覆盖层。由于隧道涌水改变原有地下水径流条件，地下 水流速远大于正常状态下地下水沿地层走向运移时的流速，尤其是在 槽谷基岩与覆盖层分界面位置径流集中明显，过快的地下水流冲刷潜 蚀土体，在覆盖层与基岩分界面位置形成土洞，随着空洞的扩展，土洞 顶板塌陷并联通地表，形成陷坑。 ３．结语 高密度电法是一种经济、高效率的物探勘察手段，其原理以及仪器 设备都较为成熟，通过本次应用发现在实际应用中提高勘探精度需要 做好以下几个方面： （１）探测场地物理特征要符合高密度电阻率法适应的物理前提； （２）要尽可能地提高电极与大地的接地条件，同时数据采集的时间 间隔一般不宜小于３秒，否则后续记录的视电阻率值会受前次供电干 扰； （３）后续数据处理中坏点的剔除对反演的稳定性以及反演结果影 一模拟［『］ｌ山西建筑，２００９，３５００）：３１０—３１１ ［２］夏才初，龚建伍，陈佑新等．滑行道下超长管棚一箱涵顶进地表 沉降分析［Ｉ］．岩石力学与工程学报，２００８，２７（４）：６９６—７０２． ［３］闫丽煤矿中深部管棚支护数值模拟【Ｉ］．山西建筑，２００９，３５（２４）： １Ｏ３—１０４． ［４］苟德明，阳军生，高世军下穿公路连拱隧道双层管棚预加固作 用数值分析［门．长江交通学院学报，２００８，２４（２）：１６—２２． ［５］向俊宇，傅鹤林，聂春龙浅埋大跨度隧道管棚支护进洞三维有 限差分法分析［Ｊ］．南华大学学报（自然科学版），２００８，２２（３）：７０—７３． ［６］孙曼，徐伟．软土地层管幕法施工三维数值模拟［Ｉ］．岩土工程学 报，２００６，２８（增刊）：１４９７－１５００ 响很大，特别是表层左右两端数据，若跳变过大，坏点过多，可以考虑切 除。 、 参考文献 ［１］付良魁ｌ电法勘探教程［Ｍ］地质出版社，１９８５． ［２］于汇津，邓一谦勘察地球物理概论［Ｍ］．地质出版社，１９９３． ［３］赵光辉．高密度电法勘探技术及其应用［ＩＪ．矿产与地质，２００６（￣： １６６－１６８． ［４］ＬＯＫＥ Ｍ Ｈ，ＢＡＲＫＥＲ Ｒ Ｄ．Ｒａｐｉｄ ｌｅａｓｔ—ｓｑｕａｒｅｓ ｉｎｖｅｍｉｏｎ ｏｆａｐ－ ｐａｒｅｎｔ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｐｓｅｕｄｏｓｅｃｔｉｏｎｓ ｂｙ ａ ｑｕａｓｉ—Ｎｅｗｔｏｎ ｍｅｔｈｏｄ【Ｊ］．Ｇｅｏｐｈｙｓｉ— ｃａｌ Ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ，１９９６，４４：１３１—１５２ ［５］王士鹏．高密度电法在水文地质和工程地质中的应用…．水文 地质工程地质，２０００（１）：３９—４３． ［６］王文州．物探技术在高速公路岩溶地区地质勘探中的应用ｆＩ］ 中外公路，２００１（４）：５６－５８． ［７］刘晓东高密度电法在工程物探中的应用（Ｉ］．工程勘察，２ｏｏｖ￣： ６４－６６ ３２４一
