范玥輝

（北京鐵路局，北京100860）

0 引言

在隧道施工引起的土層位移與變形中，最受關(guān)注的是地表和其它結(jié)構(gòu)物沉降變形的大小和分布。尤其是在城市環(huán)境中修建地鐵，往往周圍建筑物密集近接，地下管線縱橫交錯，地鐵施工帶來的地表沉降塌陷、建（構(gòu)）筑物開裂傾斜、既有線變形及線路錯位、地下管線斷裂滲漏等問題日益增多。目前對地鐵施工的變形控制，普遍的做法是控制地表沉降30mm，地表隆起10mm。這種做法一般不夠經(jīng)濟(jì)合理，針對性不強(qiáng)，對于大直徑隧道變形控制指標(biāo)過于苛刻。因此，對于地鐵隧道，尤其是大跨度隧道，針對性地提出沉降控制指標(biāo)很有必要，而對沉降控制指標(biāo)進(jìn)行分類細(xì)化，不但更加安全合理，還能夠順應(yīng)綠色經(jīng)濟(jì)的環(huán)保理念。

本文通過對北京直徑線5種不同工法開挖的各種施工步序進(jìn)行二維動態(tài)數(shù)值模擬分析，對比現(xiàn)場量測的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，印證了數(shù)值模擬方法中參數(shù)選取和建立模型的合理性。

1 數(shù)值模擬的實現(xiàn)

1.1 數(shù)值模擬區(qū)段選取

圖1是數(shù)值模擬區(qū)段中的一個橫斷面。

直徑線雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工段總長度為285.8 m，本文選取了具有代表性的崇西大街4號地質(zhì)橫斷面（里程：DK0+995）：距離鄰近建筑物 5.36 m，距離既有地鐵2號線崇文門站西南出口僅4.17 m。此斷面內(nèi)有煤氣、電話、照明、自來水、電力、雨水、電信管線共九條，直徑線與既有建筑間有地面跟蹤注漿措施、直徑線與既有地鐵2號線間有隔離樁措施，鄰近建筑基礎(chǔ)下面設(shè)置有鉆孔灌注樁超前加固措施，隧道正洞設(shè)置有超前注漿導(dǎo)管、注漿鎖腳錨管、超前長管注漿和超前注漿鋼管。

1.2 地層處理和參數(shù)初選

圖2是按直徑線DK0+850～DK1+000的地質(zhì)勘察報告資料繪制的。

從地勘報告中可以看出，崇西大街4號斷面包含了該工段內(nèi)的所有土層：雜填土、粉土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、卵石、粘土等。直徑線隧道數(shù)值模擬長度為58.1 m。按常用的地層處理方式在DK0+995左右58.1 m范圍內(nèi)將地層界線取為平直。經(jīng)計算，按地勘報告中的地層和地層界線取為平直時兩者的差距很小。對于數(shù)值模擬中的參數(shù)，地勘報告中有的直接采用，沒有的按查閱文獻(xiàn)或軟件中建議的采用。參數(shù)初選中的一個重要參數(shù)是各土層的彈性模量，經(jīng)過多個算例，認(rèn)為取地勘報告中動彈性模量的1/10～1/5，可以很快地模擬還原現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)得出的沉降變形曲線。

1.3 邊界問題

左右兩側(cè)的計算邊界為隧道總跨度的3～5倍，下邊界為隧道總高的2倍以上，上邊界取至地面(淺埋隧道)或隧道總高的2倍（深埋隧道）。

經(jīng)過驗算，本文模型左側(cè)計算邊界取至距既有建筑左側(cè)外輪廓40 m的范圍，右側(cè)計算邊界取至距既有線右側(cè)外輪廓40 m的范圍，上邊界取至地面，下邊界取至地勘報告中最深的地層，隧道縱向長度取58.1 m。內(nèi)存2G的計算機(jī)模型網(wǎng)格組控制在1 200～1 500個，施工階段控制在120～150個，如果數(shù)值模型達(dá)到上述限度，運(yùn)算要在內(nèi)存4G以上的計算機(jī)中運(yùn)行。

1.4 初始應(yīng)力問題

在地層-結(jié)構(gòu)法的數(shù)值模擬分析中，其重點是確定圍巖的初始應(yīng)力場。一般情況下，不能完全模擬地層中的初始應(yīng)力狀態(tài)，而只能采用簡化計算方法，直徑線隧道在施工階段分析過程中通過自重進(jìn)行分析得到的應(yīng)力狀態(tài)設(shè)定為初始應(yīng)力狀態(tài)。而對于原始的水平應(yīng)力，GTS里通過方法或者自重分析的方法來算。

圖1 崇西大街4號橫斷面圖

圖2 某區(qū)段地質(zhì)圖

2 數(shù)值模擬處理

考慮到現(xiàn)有的計算機(jī)配置條件，同時兼顧數(shù)值模擬需要和軟件運(yùn)行速度，對數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件和網(wǎng)格處理如下。

2.1 樁的處理

對房屋的樁基礎(chǔ)、洞樁法的樁、隔離樁和注漿灌注樁均按巖土實體來處理。

2.2 既有線出口的處理

將其簡化為幾個臺階，雖與最初施作有所區(qū)別，但是接近于出口最終形成的臺階狀態(tài)。

2.3 超前注漿的處理

所有超前注漿，最終目的都是為了加固地層，改變土層局部的屬性。從這一點出發(fā)，按已有成果將超前注漿處理為1 m厚的等代層，合理確定其簡化處理參數(shù)。

2.4 導(dǎo)洞開挖的處理

導(dǎo)洞開挖對沉降影響顯著的三個方面是導(dǎo)洞開挖步序、循環(huán)進(jìn)尺和錯開距離。圖3為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法段采用導(dǎo)洞錯開距離的示意圖。

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法示意圖

考慮到核心土對沉降控制的有利作用，導(dǎo)洞開挖時盡量先開挖兩側(cè)，保留中洞土層作為核心土柱。由此在9個基本模型下，建立了126個考慮上述土柱作用的數(shù)值模擬施工模型。實際中開挖試驗段的循環(huán)進(jìn)尺為 0.5 m～0.75 m，正常開挖段為0.75 m～1.5 m，由于計算機(jī)內(nèi)存的限制，需要控制施工階段數(shù)量，所以模擬中循環(huán)進(jìn)尺控制為2.8 m～5.0 m，導(dǎo)洞錯開距離為5.6 m～10 m，這與實際工程中采用的有差距，但是這對控制沉降是有利的。

2.5 模筑二襯施作的處理

數(shù)值模擬中，為了簡便的實現(xiàn)二襯的施作，間隔的板數(shù)是固定的，這與實際中的不符，但是與實際中每次施作幾板是一致的，也就是同時施作二襯一板或者兩板。

2.6 初支施作的處理

對于平面模型，初支可采用結(jié)構(gòu)線單元植入式桁架或梁，也可以采用巖土平面應(yīng)變單元。采用植入式桁架單元時，至少要保證初支一側(cè)有土層或巖土單元，否則運(yùn)算會很不容易收斂，而且運(yùn)行時間很長。最好平面模型不要采用植入式桁架單元，比如說采用梁單元，運(yùn)算會很容易收斂，而且運(yùn)算速度是采用植入式桁架單元的十倍以上。對于空間模型，初支一般采用結(jié)構(gòu)板單元，也可以采用巖土實體單元。初支若采用巖土實體單元，需要考慮與二襯的節(jié)點耦合，還需要考慮網(wǎng)格劃分不能與周邊網(wǎng)格大小不能相差太多。

3 模擬結(jié)果分析

通過現(xiàn)場實測結(jié)果和數(shù)值模擬分類分析，研究了各施工工法各施工工序?qū)Φ孛娉两?、洞頂沉降、既有建筑沉降、既有線沉降、地下管線沉降的影響，得出以下結(jié)論：

（1）計算結(jié)果表明，數(shù)值分析結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好，各種工法的模擬基于的圍巖狀態(tài)一致，有其可比性的基礎(chǔ)，提出優(yōu)化方案是合理的。

（2）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、洞樁法、CRD法、CD法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法以及臺階法等工法引起的變形大小和趨勢基本符合隧道開挖理論，細(xì)化分類分析中存在的差異在于隧道開挖的“洞群效應(yīng)”引起的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)以及采取各種應(yīng)急輔助措施對沉降的控制。

（3）對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、洞樁法、CRD法、CD法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法以及臺階法的分類分析優(yōu)化方案，以及相應(yīng)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

控制地面沉降、洞頂沉降、鄰近既有建筑物沉降、既有線沉降變形最優(yōu)方案為洞樁法，沉降值控制分別在40 mm、45 mm、10 mm、1 mm。（見圖4～圖13）

圖4 地面沉降曲線圖

圖5 洞頂沉降曲線圖

圖6 建筑物沉降曲線圖

圖7 既有線沉降曲線圖

圖8 電力管線沉降曲線圖

圖9 自來水管線沉降曲線圖

圖10 電信管線沉降曲線圖

圖11 雨水管線沉降曲線圖

圖12 電話管線沉降曲線圖

圖13 煤氣管線沉降曲線圖

綜合以上二維數(shù)值模擬分析，洞樁法可以作為最優(yōu)方案。如果再對正洞作臺階法挖土，留取核心土，合理確定鋼支撐的施加和撤除時機(jī)及其預(yù)應(yīng)力的大小，可以把地面沉降值控制在30 mm內(nèi)。

4 結(jié)語

直徑線隧道在實際施工中，采取的地表控制指標(biāo)為30 mm，施工監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示該段實測數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 實測數(shù)值表

本文選取的控制點位置均為最大的變形量，控制數(shù)值均在數(shù)值分析的控制指標(biāo)范圍之內(nèi)，證明通過數(shù)值分析提出的隧道變形控制指標(biāo)是正確的也是合理的，采用數(shù)值模擬過程中對數(shù)值模擬的處理也是正確的，通過模擬證明洞樁法是控制地表沉降最有利的工法。

通過采用理論分析、數(shù)值模擬并結(jié)合直徑線實際工程對直徑線施工工法的優(yōu)選進(jìn)行了研究，提出了適用于不同地段的施工方法。工程實踐證明，研究提出的結(jié)論合理、正確。

目前對地下近接施工來的研究，無論是經(jīng)驗公式法，還是理論分析法，抑或是目前常用的數(shù)值模擬分析法，都還僅僅考慮了近接施工的空間和平面位置關(guān)系，施工工法和施工步序以及其他施工技術(shù)措施的簡化加固作用，但最終都沒有將施工與時間關(guān)系絕對對應(yīng)起來。而隧道開挖過程中之所以引起地表沉降和地層移動，是因為施工開挖與支護(hù)加固之間存在時間間隔，讓圍巖有了重分布二次或多次應(yīng)力的時間。如果能將時間因素也考慮進(jìn)去，對變形的研究和施工的指導(dǎo)將更加精確和具有針對性。

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