淺埋軟塑粘土地層地鐵四聯(lián)拱大斷面施工模擬及穩(wěn)定性分析

1、2013年度優(yōu)秀科技論文（技術(shù)總結(jié)） 淺埋軟塑粘土地層地鐵四聯(lián)拱大斷面施工模擬及穩(wěn)定性分析淺埋軟塑粘土地層地鐵四聯(lián)拱大斷面施工模擬及穩(wěn)定性分析內(nèi)容提要：哈爾濱地鐵一號線二期工程哈爾濱南站站哈達(dá)站區(qū)間與哈南停車場出入場線區(qū)間平交部位設(shè)計為四聯(lián)拱斷面，設(shè)計長度83m，斷面最大寬度27.56m，高度8.42m，采用雙側(cè)壁+中導(dǎo)坑法施工，四聯(lián)拱段結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、施工工序多、干擾大、工期緊、施工風(fēng)險極大。本文重點對大斷面連拱隧道施工過程的數(shù)值模擬、模擬結(jié)果和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并與施工監(jiān)測成果進(jìn)行分析比較。關(guān)鍵詞：淺埋 軟塑粘土地層 地鐵區(qū)間 四聯(lián)拱 大斷面施工1 引 言近些年來，國內(nèi)出現(xiàn)了大量的大跨度隧道

2、和連拱隧道，其中包括德國瓦爾德克H水電站地下廠房和我國廣州環(huán)城公路白云隧道寬度達(dá)31.5m和福州象山四連拱隧道寬度達(dá)35.4m。20世紀(jì)80年代以來，我國先后修建了一些大跨鐵路隧道，但由于當(dāng)時經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的限制，修建水平總體不高，從設(shè)計及施工角度來看，可供借鑒的經(jīng)驗不多。進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國相繼已經(jīng)修建了不少連拱隧道工程，但這些連拱隧道存在著工期長、設(shè)計繁瑣、施工要求高等特點，因此有必要對連拱隧道的設(shè)計與施工作進(jìn)一步的深入研究。2.工程概況2.1概述哈爾濱地鐵哈爾濱南站站哈達(dá)站區(qū)間屬于哈爾濱地鐵一號線南延伸段工程，位于哈爾濱市主干道學(xué)府路正下方，哈爾濱南站到省農(nóng)科院之間，施工方法采用淺埋暗挖

3、法施工，結(jié)構(gòu)底板埋深約16.026.0m。在本區(qū)間設(shè)有哈南停車場出入線，該出入線為雙線，從哈達(dá)站南端引出，夾于兩正線間并行一段后，上跨下行正線沿規(guī)劃伊春路西行，接哈南停車場。四連拱段采用雙側(cè)壁+中導(dǎo)坑法施工，斷面最大開挖寬度27.557m，開挖高度8.420m，開挖面積達(dá)216.815。四連拱段最小埋深約為8.7m，與開挖高度基本相當(dāng)，屬于淺埋隧道。隧道中心線與規(guī)劃道路基本平行。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，工程安全等級為一級；場地復(fù)雜程度等級為中等。本工程重要性等級為一級，場地復(fù)雜程度等級為二級，地基復(fù)雜程度等級為二級。2.2工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件根據(jù)鉆探揭示及對地層成因、年代的分析，四連拱段地層主要由第四

4、紀(jì)全新世人工堆積層（Q4ml）、上更新統(tǒng)哈爾濱組地層（Q32hral）、中更新統(tǒng)上荒山組地層(Q22hl)、下荒山組地層（Q21h lal）組成，巖性為粉質(zhì)粘土、砂類土。粉質(zhì)粘土層具有弱濕陷性。圍巖等級為級。 圖2.1 哈爾濱地鐵一期工程四連拱段土質(zhì)狀況四連拱段地層從上到下依次為雜填土（）、粉質(zhì)粘土（）、粉質(zhì)粘土（）、粉質(zhì)粘土（2）、粉質(zhì)粘土（）、粉質(zhì)粘土（4）。本區(qū)間地下水主要賦存于沖洪積地層內(nèi)，水溫1214。含水層主要為孔隙潛水，穩(wěn)定水位標(biāo)高約108.84114.13m，埋深30.5064.90m。地下水埋藏較深，對區(qū)間施工沒有產(chǎn)生影響。地下水補(bǔ)給來源為地下徑流、河流側(cè)滲和大氣降水。3.隧

5、道施工過程哈爾濱地鐵四連拱斷面采用雙側(cè)壁中導(dǎo)坑法施工。雙側(cè)壁中導(dǎo)坑法又稱“眼睛工法”，是大斷面隧道和不良地質(zhì)隧道施工中為控制圍巖變形經(jīng)常用到的一種方法。這種方法適用于級圍巖雙線或多線隧道。由于隧道跨度較大，采用全斷面開挖法或者臺階法很難保證工程的安全性，因此，先開挖兩側(cè)導(dǎo)坑，及時進(jìn)行支護(hù)，然后再根據(jù)斷面及地質(zhì)情況對剩余部分分若干次進(jìn)行開挖。這種施工方法具有地面沉降小，施工過程安全性高等優(yōu)點，但施工過程繁瑣，進(jìn)度慢，適用于地面變形要求高、地質(zhì)條件差的大跨度隧道施工。本工程四線隧道跨度大、環(huán)境要求高，采用雙側(cè)壁中導(dǎo)坑法施工，具體施工步驟如下：第一步：先進(jìn)行拱部小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)，在完成超前支護(hù)后，

6、采用CRD法分別施工左、右兩個隧道側(cè)導(dǎo)洞，并施做初期支護(hù)；圖3.1 第一步開挖示意圖第二步：在采用上下導(dǎo)坑法施工中導(dǎo)洞，并施做初期支護(hù)；圖3.2 第二步開挖示意圖第三步：在三個隧洞內(nèi)鋪設(shè)防水層、混凝土保護(hù)層，并施做二次襯砌，然后在中洞拱部回填混凝土；圖3.3 第三步開挖示意圖第四步：自上而下分步開挖左右導(dǎo)洞導(dǎo)坑與中導(dǎo)坑間隔內(nèi)隧洞導(dǎo)坑，先開挖左上、右上導(dǎo)洞，并施作初期支護(hù)，待初期支護(hù)收斂穩(wěn)定后，在初期支護(hù)背后注漿，使初期支護(hù)與地層密貼；圖3.4 第四步開挖示意圖第五步：分步拆除左上、右上導(dǎo)坑部分初期支護(hù)，并鋪設(shè)防水層，施做二次襯砌；圖3.5 第五步開挖示意圖第六步：分步施工左下、右下導(dǎo)洞，并施做

7、初期支護(hù)；圖3.6 第六步開挖示意圖第七步：分步拆除左下、右下導(dǎo)坑部分初期支護(hù)，并鋪設(shè)防水層、混凝土保護(hù)層，再施做二次襯砌，使仰拱、拱部、邊墻封閉成環(huán)，在拱部二次襯砌預(yù)留壓漿孔，保證初期支護(hù)與二次襯砌之間密實，然后進(jìn)行隧底回填（仰拱作業(yè)）。圖3.7 第七步開挖示意圖4. 大斷面連拱隧道施工模擬分析4.1隧道施工過程模擬由于隧道斷面比較復(fù)雜，采用平面模型進(jìn)行分析。模型采用四節(jié)點平面單元plane42模擬圍巖及二次襯砌，一次襯砌采用兩節(jié)點桿單元Beam3單元模擬。由于開挖步驟較多，上下行線及中導(dǎo)坑均按照全斷面開挖法模擬。利用單元生死功能EKILL，及EALIVE模擬隧道的開挖與支護(hù)。運(yùn)用ANSYS

8、的自由網(wǎng)格功能劃分網(wǎng)格共生成1827個節(jié)點，2033個單元。劃分網(wǎng)格后的模型如圖4.1所示：圖4.1 模型網(wǎng)格劃分及約束圖在正式開挖前先求解自重應(yīng)力場.對所有Plane42平面單元賦予材料一屬性，即圍巖屬性.對所有Beam3單元,包括一次襯砌和臨時支撐賦予“死”屬性。對模型左右邊界施加X方向的約束，下邊界施加Y方向的約束，然后施加自重荷載。求解得出自重應(yīng)力作用下的位移及應(yīng)力如圖4.2所示.a. X方向位移圖b. Y方向位移圖c. X方向應(yīng)力圖d. Y方向應(yīng)力圖圖4.2自重應(yīng)力作用下的應(yīng)力與位移圖第一步：開挖上下行線隧洞并施作初期支護(hù)，變更上下行線超前小導(dǎo)管加固區(qū)材料類型為加固后材料，對上下行線

9、開挖區(qū)所有單元及上下行線二次襯砌對應(yīng)位置圍巖單元賦予“死”屬性，施加自重荷載的50%，第一步求解。a. X方向位移圖b. Y方向位移圖c. X方向應(yīng)力圖d. Y方向應(yīng)力圖圖4.3第一步開挖后的應(yīng)力與位移圖第二步：開挖中導(dǎo)洞，并施作一次襯砌與臨時支撐，變更中導(dǎo)洞超前小導(dǎo)管加固區(qū)材料類型為加固后材料，對中導(dǎo)洞開挖區(qū)單元賦予“死”屬性，對中導(dǎo)洞一次襯砌賦予“生”屬性，施加自重荷載的50%，第二步求解。a. X方向位移圖b. Y方向位移圖c. X方向應(yīng)力圖d. Y方向應(yīng)力圖圖4.4第二步開挖后的應(yīng)力與位移圖第三步：施工上下行線及中導(dǎo)洞二次襯砌，對上下行線及中導(dǎo)洞二次襯砌單元賦予“生”屬性，對中導(dǎo)洞填充

10、區(qū)賦予“生”屬性，施加自重荷載的80%，第四步求解。a. X方向位移圖b. Y方向位移圖c. X方向應(yīng)力圖d. Y方向應(yīng)力圖圖4.5第四步開挖后的應(yīng)力與位移第四步：開挖左右導(dǎo)洞上臺階，并施作一次襯砌，對左右導(dǎo)洞上部開挖區(qū)單元賦予“死”屬性，對左右導(dǎo)洞一次襯砌及臨時支撐賦予“生”屬性，施加自重荷載的50%，第四步求解。a. X方向位移圖b. Y方向位移圖c. X方向應(yīng)力圖d. Y方向應(yīng)力圖圖4.6 第四步開挖后的應(yīng)力與位移圖第五步：拆除左右導(dǎo)洞上臺階臨時襯砌，施作二次襯砌，對上下行線上部及中導(dǎo)洞上部臨時一次襯砌單元賦予“死”屬性，對左右導(dǎo)洞上部二次襯砌單元賦予“生”屬性，施加自重荷載的80%，第

11、六步求解。a. X方向位移圖b. Y方向位移圖c. X方向應(yīng)力圖d. Y方向應(yīng)力圖圖4.7 第五步開挖后的應(yīng)力與位移圖第六步：開挖左右導(dǎo)洞下臺階，施作一次襯砌，對左右導(dǎo)洞下部開挖區(qū)、上下行線下部及中導(dǎo)洞下部臨時一次襯砌單元賦予“死”屬性，對左右導(dǎo)洞下部一次襯砌單元賦予“生”屬性，施加自重荷載的50%，第六步求解。a. X方向位移圖b. Y方向位移圖c. X方向應(yīng)力圖d. Y方向應(yīng)力圖圖4.8 第六步開挖后的應(yīng)力與位移圖第七步：激活剩余二次襯砌單元，施加自重荷載的80%，第七步求解。a. X方向位移圖b. Y方向位移圖c. X方向應(yīng)力圖d. Y方向應(yīng)力圖圖4.9 第八步開挖后的應(yīng)力與位移圖4.2

12、模擬結(jié)果分析4.2.1位移分析圖4.24.9為四連拱隧道雙側(cè)壁中導(dǎo)坑法施工過程中各分步產(chǎn)生的位移及應(yīng)力云圖。各分步產(chǎn)生的最大位移及應(yīng)力列入下表：表4.4 施工過程產(chǎn)生的最大位移及應(yīng)力施工步驟UX(mm)UY(mm)SX(MPa)SY(MPa)1-0.18-37.3-3.92-7.802-0.30-6.60-0.81-1.573-0.55-10.06-1.28-2.344-0.55-10.17-2.40-4.845-0.56-10.59-1.30-2.336-0.64-11.51-2.56-2.387-0.64-11.63-1.43-2.378-0.64-11.96-6.21-1.08表中結(jié)果顯

13、示，隧道開挖過程中產(chǎn)生的位移不足自重產(chǎn)生位移的三分之一，橫向位移遠(yuǎn)小于豎向位移，可以忽略。豎向位移中約有80%在上下行線及中導(dǎo)洞開挖和一次襯砌、二次襯砌施工完成之前產(chǎn)生，雙側(cè)壁中導(dǎo)坑法施工過程中圍巖受到多次擾動，各步驟相互影響， 圍巖應(yīng)力多次擾動和重分布，導(dǎo)致施工后期圍巖應(yīng)力較前期顯著減小，產(chǎn)生的變形效果也相應(yīng)減小。在隧道上下行線開挖過程中產(chǎn)生的沉降具有對稱性，但由于兩隧道開挖時相互影響，地表最大沉降區(qū)域并不在隧道的正上方，而是偏向兩隧道中部；隧道內(nèi)最大沉降點位于隧道上方偏向內(nèi)測。隧道中導(dǎo)洞的開挖產(chǎn)生的最大沉降點在中導(dǎo)洞正上方，對比上下行線開挖的位移云圖可以發(fā)現(xiàn)，中導(dǎo)洞開挖對上先行線的影響小于

14、上下行線開挖對其產(chǎn)生的影響，究其原因，一是上下行線已經(jīng)完成開挖與初期支護(hù)，圍巖變形得到一定控制，二是上下行線開挖后應(yīng)力重分布，致使中導(dǎo)洞開挖時應(yīng)力減小，產(chǎn)生的沉降量也相應(yīng)減小。觀察橫向位移可以發(fā)現(xiàn)，圍巖最大水平位移位于隧道側(cè)壁上下行線中間區(qū)域。由圖4.5可以看出，上下行線及中導(dǎo)洞二次襯砌施工完成后，地表及圍巖內(nèi)部沉降量及水平位移顯著減小，表明及時施作二次襯砌對控制圍巖變形具有重要意義，二次襯砌完成后與一次襯砌共同作用，更能發(fā)揮襯砌材料的優(yōu)良性能，尤其適用于軟弱圍巖中。綜合分析圖4.64.9可知，二次應(yīng)力重分布后，由于襯砌強(qiáng)度較高，承擔(dān)了大部分應(yīng)力，同時由于超前小導(dǎo)管的支撐作用，左右導(dǎo)洞的開挖產(chǎn)

15、生的位移更小，約占總位移量的20%，但這并不代表這一過程更安全，圍巖相反由于受到多次擾動后，物理力學(xué)性能發(fā)生變化，粘聚力和內(nèi)摩擦角可能相應(yīng)的降低，因此，這一過程在實際工程中同樣要引起重視。4.2.2應(yīng)力分析對隧道工程施工過程中的應(yīng)力分析有助于確定圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而確定危險區(qū)域，對控制圍巖變形，保證工程安全具有指導(dǎo)作用。第一步開挖后的1應(yīng)力和3應(yīng)力云圖（圖4.10）顯示，1應(yīng)力最大值位于超前小導(dǎo)管最外側(cè)區(qū)域，由于超前小導(dǎo)管加固區(qū)域與為加固區(qū)域物理性能差別很大，因此在邊界區(qū)域產(chǎn)生一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這一區(qū)域最大應(yīng)力為1.22MPa。3應(yīng)力最小值出現(xiàn)在上下行線的拱腳區(qū)域，尤其是內(nèi)側(cè)，

16、最小主應(yīng)力為-1.58MPa。3應(yīng)力最小值的絕對值明顯大于1應(yīng)力，布設(shè)鎖腳錨桿可以有效地避免這一區(qū)域發(fā)生破壞。a 1應(yīng)力圖b 3應(yīng)力圖圖4.10 第一步開挖后應(yīng)力云圖中導(dǎo)洞的開挖引起的應(yīng)力變化并沒有上下行線開挖時明顯，1應(yīng)力范圍在-0.88MPa2.10MPa之間，最大值仍然出現(xiàn)在超前小導(dǎo)管邊界區(qū)域，3應(yīng)力范圍在-2.45MPa0.28MPa之間，最小值同樣出現(xiàn)在拱腳位置，隧道下部產(chǎn)生的應(yīng)力大于上部的應(yīng)力。a 1應(yīng)力圖b 3應(yīng)力圖圖4.11 第二步開挖后應(yīng)力云圖圖4.12顯示，上下行線及中導(dǎo)洞二次襯砌支護(hù)完成后1應(yīng)力最大值和3應(yīng)力最小值均出現(xiàn)在中導(dǎo)洞二次襯砌中隔墻上，其中1應(yīng)力最大值為3.68

17、MPa，3應(yīng)力最小值為-4.89MPa。a 1應(yīng)力圖b 3應(yīng)力圖圖4.12 第三步開挖后應(yīng)力云圖左右導(dǎo)洞上臺階開挖后1應(yīng)力為-0.88MPa2.12MPa，3應(yīng)力為-2.53MPA-0.27MPa。1應(yīng)力最大值區(qū)域沒有明顯變化，3應(yīng)力最小值區(qū)域位于隧道下方上下行線之間區(qū)域，控制了隧道底部變形對整個隧道施工過程具有積極意義。a 1應(yīng)力圖b 3應(yīng)力圖圖4.13 第四步開挖后應(yīng)力云圖圖4.14為左右導(dǎo)洞二次襯砌施工完成后以及相應(yīng)區(qū)域臨時襯砌拆除后的1應(yīng)力和3應(yīng)力云圖。1應(yīng)力范圍-1.09MPa4.52MPa，最大值位于左右導(dǎo)洞襯砌結(jié)構(gòu)上。3應(yīng)力范圍在-2.56MPa1.43MPa之間，隧道下方是3應(yīng)

18、力絕對值較大區(qū)域。a 1應(yīng)力圖b 3應(yīng)力圖圖4.14 第五步開挖后應(yīng)力云圖左右導(dǎo)坑下臺階開挖后，1應(yīng)力較前沒有太大變化，應(yīng)力范圍-0.95MPa2.39MPa。3應(yīng)力最小值區(qū)域縮小，主要集中在左右導(dǎo)洞與上下行線連接處的拱腳。a 1應(yīng)力圖b 3應(yīng)力圖圖4.15 第六步開挖后應(yīng)力云圖整個隧道施工完成后，1應(yīng)力較大值區(qū)域明顯減小，主要集中在左右導(dǎo)洞下部襯砌上，最大值為8.85MPa，表明施工完成后結(jié)構(gòu)受力均勻，形成整體結(jié)構(gòu)，整個圍巖-支護(hù)體系進(jìn)入正常工作狀態(tài)。3應(yīng)力表現(xiàn)出同樣變化，最小主應(yīng)力位于左右導(dǎo)洞下部襯砌部分區(qū)域，應(yīng)力范圍-1.20MPa1.82MPa。由于施工過程中的應(yīng)力變化較大，因此盡早實

19、現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性，使整個結(jié)構(gòu)體系盡快達(dá)到平衡狀態(tài)。同時圖4.16還顯示出盡早施作仰拱使襯砌結(jié)構(gòu)閉合成環(huán)，更加有利于控制施工過程中產(chǎn)生的圍巖變形。a 1應(yīng)力圖b 3應(yīng)力圖圖4.16 第七步開挖后應(yīng)力云圖4.3模擬結(jié)論利用ANSYS11.0軟件模擬了哈爾濱地鐵四連拱段工程雙側(cè)壁中導(dǎo)洞法的施工過程，得出了各分步施工后的位移及應(yīng)力狀態(tài)。（1）水平位移在整個模擬過程中，水平位移最大值僅為-6.4mm，最大位移出現(xiàn)在上下行線中間的區(qū)域，最大水平位移在整個模擬過程中變化不太明顯，可以認(rèn)為水平位移在本工程中影響較小。（2）豎向位移豎向位移在分析過程中表現(xiàn)出了很強(qiáng)的規(guī)律性。由于模型與荷載及施工步驟具有對稱性，

20、豎向位移也表現(xiàn)出對稱性特點。在第一步，上下行線開挖后的豎向位移圖中的數(shù)據(jù)顯示，位移云圖呈“W”形分布，“W”的兩個尖角不在上下行線拱頂?shù)恼戏?，而是位于上下行線內(nèi)側(cè)邊墻處，由此判定，上下行線施工存在較強(qiáng)的相互影響。中導(dǎo)洞開挖后，位移云圖由“W”形變?yōu)椤癠”形，最大位移點變?yōu)橹袑?dǎo)洞拱頂，最大值為-10.1mm，而開挖前最大豎向位移值為-5.6mm，幾乎相差一倍。中導(dǎo)洞斷面面積遠(yuǎn)小于上下行線，而且中導(dǎo)洞跨高比更小，中導(dǎo)洞開挖引起的位移小于上下行線開挖引起的位移，位移云圖的變化進(jìn)一步表明了此工程中不同隧洞開挖相互影響的程度。上下行線及中導(dǎo)洞二次襯砌施工完成后，豎向位移明顯減小，沉降量小于前期沉降的1

21、0%。位移變化量的減小一方面是由于前期應(yīng)力釋放比例為50%，另一方面就是二次襯砌的支撐作用。左右導(dǎo)洞二次襯砌施作后的位移云圖具有同樣的特點。左右導(dǎo)洞的開挖對豎向位移的影響，一方面是因為隧道圍巖經(jīng)歷多次應(yīng)力重分布后，導(dǎo)洞周圍圍巖應(yīng)力減小，另一方面是由于兩側(cè)均已完成支護(hù)，對圍巖產(chǎn)生了有效的支撐作用。在整個模擬過程中，上下行線及中導(dǎo)洞的開挖過程產(chǎn)生的豎向位移占總位移量的80%，控制圍巖變形，保證工程安全應(yīng)以此階段為重點監(jiān)測對象。（3）圍巖與支護(hù)應(yīng)力應(yīng)力是產(chǎn)生圍巖位移的原因，同時圍巖的位移又造成了應(yīng)力的變化，了解圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，即是掌握了圍巖位移的原因。X方向的應(yīng)力變化比較平穩(wěn)，第一步開挖后

22、最大應(yīng)力出現(xiàn)在上行線拱頂偏右側(cè)區(qū)域，最大值為0.56MPa，為拉應(yīng)力，最小值在下行線拱頂偏左側(cè)超前小導(dǎo)管加固區(qū)邊緣，最小值為-0.82MPa。其它區(qū)域X方向應(yīng)力均較小，隨著模擬的進(jìn)行，X方向應(yīng)力最小值一直位于下行線左側(cè)區(qū)域，而最大應(yīng)力則跟隨施工位置移動，位于施工部位的圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)上方，X方向的應(yīng)力與X方向的位移變化規(guī)律基本一致，都具有變化值小和變化平穩(wěn)的特點。Y方向的應(yīng)力具有對稱性的特點，最大應(yīng)力在前期位于施工位置對應(yīng)的拱頂?shù)恼戏?，總的變化趨勢是逐漸增大。最小值位于施工位置對應(yīng)拱腳區(qū)域，但不包括上下行線外側(cè)拱腳。拱頂大部分區(qū)域為拉應(yīng)力，少部分為壓應(yīng)力，拱腳區(qū)域全比為壓應(yīng)力。施工完成后，拱頂

23、拉應(yīng)力基本消失，僅在左右導(dǎo)洞下臺階襯砌位置有不規(guī)則的拉應(yīng)力，除此以外，只是在隧道的正下方存在壓應(yīng)力。圍巖的主應(yīng)力1在施工過程中不同程度的存在局部拉應(yīng)力，主要出現(xiàn)在隧道拱部支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖上，隨著分步進(jìn)行的展開，拉應(yīng)力區(qū)域逐漸減小，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀況得到改善。1在模擬過程中基本不存在拉應(yīng)力，應(yīng)力分布對稱，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳位置。4.4大斷面連拱隧道施工穩(wěn)定性分析借助有限元分析軟件ANSYS建立三維大斷面隧道模型進(jìn)行數(shù)值分析。模擬圍巖、小導(dǎo)管加固區(qū)、錨桿加固區(qū)采用solid45單元，模擬初期支護(hù)和臨時支撐采用shell63單元。使用ANSYS軟件提供的“生”與“死”處理功能來模擬隧道施工的開

24、挖全過程。模擬隧道開挖大致分為以下幾個步驟：第一步：求解自重應(yīng)力場。第二步：下行線開挖到4m，施作初期支護(hù)及臨時支護(hù)。第三步：下行線開挖到8m，上行線開挖到4m，施作初期支護(hù)及臨時支護(hù)。第四步：下行線開挖到12m，上行線開挖到8m，施作初期支護(hù)及臨時支護(hù)。第五步：下行線開挖到16m，上行線開挖到12m，施作初期支護(hù)及臨時支護(hù)。第六步：下行線開挖到20m，上行線開挖到16m，施作初期支護(hù)及臨時支護(hù)。第七步：上行線開挖到20m，施作初期支護(hù)及臨時支護(hù)。其中，中行線及出入場線都沒有進(jìn)行開挖，洞內(nèi)監(jiān)測不能正常進(jìn)行，目前得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)為上下行線開挖之后的數(shù)據(jù)，隧道模擬時，只對上下行線進(jìn)行模擬。圖4.17

25、 開挖洞室示意圖運(yùn)用ANSYS軟件劃分網(wǎng)格共生成10076個節(jié)點，8960個單元，劃分后的網(wǎng)格如下圖4.18所示：圖4.18 模型網(wǎng)格劃分示意圖在開挖之前，需要求解自重應(yīng)力場，下圖4.19是X方向和Y方向的應(yīng)力云圖和位移云圖。 a、 Y方向的應(yīng)力云圖 b、 Y方向的位移云圖 c、 X方向的應(yīng)力云圖 d、 X方向的位移云圖圖4.19 自重下的應(yīng)力與位移圖（1）位移場分析進(jìn)行上下行線隧道開挖的位移場如圖4.204.25所示。 a、X方向的位移圖 b、Y方向的位移圖圖4.20 第一步開挖的位移圖 a、X方向的位移圖 b、Y方向的位移圖圖4.21 第二步開挖的位移圖 a、X方向的位移圖 b、Y方向的位

26、移圖圖4.22 第三步開挖的位移圖 a、X方向的位移圖 b、Y方向的位移圖圖4.23 第四步開挖的位移圖 a、X方向的位移圖 b、Y方向的位移圖圖4.24 第五步開挖的位移圖 a、X方向的位移圖 b、Y方向的位移圖圖4.25 第六步開挖的位移圖由隧道施工位移圖分析可知：第一步開挖下行線之后，沿X方向的位移主要集中在下行線左右拱腰附近，左側(cè)拱腰位移比較明顯并向外擴(kuò)張，在加固分界線位置最為明顯，收斂最大值達(dá)到11.1mm，右側(cè)拱腰位移向外擴(kuò)張，并且范圍比較大，緊跟掌子面；沿Y方向沉降最大值的位置發(fā)生在下行線正上方拱頂，且位于掌子面附近，沉降值為4.2mm，隆起最大值發(fā)生在洞口拱底中央位置，且附近區(qū)

27、域也出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，隆起最大值為14mm，拱腰和拱腳位移變化較小。綜上分析，由于斷面采用全斷面開挖，沒有進(jìn)行合理的分部開挖，導(dǎo)致位移變化較大。第二步開挖上下行線之后，沿X方向位移主要集中在上下行線左右拱腰附近，下行線的左側(cè)拱腰位移繼續(xù)向外擴(kuò)張，而且逐漸向洞內(nèi)發(fā)展，收斂最大值達(dá)到15.7mm，且上行線左側(cè)拱腰位移也向外擴(kuò)張，下行線右側(cè)拱腰和上行線右側(cè)拱腰位移向外進(jìn)行擴(kuò)張，并緊跟掌子面；沿Y方向的沉降最大值較第一步有所增加，但沉降最大值的位置仍然位于下行線正上方拱頂附近，且最大值逐漸向洞內(nèi)轉(zhuǎn)移，其沉降值為6.2mm，上行線正上方的拱頂沉降與下行線基本相似，隆起最大值位于下行線拱底中央位置，且向洞內(nèi)轉(zhuǎn)

28、移，隆起最大值為28.8mm，上行線拱底隆起與下行線相似，只是下行線早于上行線開挖，下行線變化值比上行線大，不過還是體現(xiàn)出上下行線變化的一致性。第三步開挖上下行線之后，沿X方向的位移仍然集中在上下行線左右拱腰附近，變化趨勢與第二步相似，下行線左側(cè)拱腰的變化最大，收斂值為17.5mm，且兩洞的變化都在繼續(xù)擴(kuò)張并緊跟掌子面；沿Y方向沉降最大值的位置仍然位于上下行線正上方的拱頂附近，且沉降最大值向洞內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)移，但沉降最大值比上一步所有減小，沉降最大值為6.0mm，隆起最大值在下行線拱底中央位置的洞口附近體現(xiàn)的最為明顯，隆起最大值為35.1mm。第四、五步開挖之后，變化趨勢與前兩步相似，沿X方向的變化

29、繼續(xù)增大，且最大值逐漸由下行線左側(cè)拱腰轉(zhuǎn)移到上行線右側(cè)拱腰，收斂最大值為19.5mm，但兩拱腰變化趨勢基本相近；沿Y方向的變化繼續(xù)增大，沉降最大值逐漸向掌子面附近靠攏，并且由下行線的拱頂轉(zhuǎn)移到上行線的拱頂，沉降最大值為10.6mm，拱底的隆起范圍也從洞口向洞內(nèi)發(fā)展，隆起最大值位于下行線拱底中央位置的洞口附近，隆起最大值為42.5mm。第六步開挖之后，沿X方向最大位移基本沒有變化，最大值位置仍然位于上行線右側(cè)拱腰，收斂最大值為20.2mm，下行線左側(cè)拱腰的收斂值為20.1mm，可以看出上下行線的收斂變化非常接近，兩隧洞之間相互影響；沿Y方向的沉降最大值發(fā)生在上行線正上方拱頂附近，且位于掌子面附近

30、，其沉降值為9.4mm，隆起最大值由下行線拱底轉(zhuǎn)移到上行線拱底，隆起最大值為45.3mm。在開挖過程中，X方向位移最大變化值在下行線左側(cè)拱腰的洞口位置和上行線的右側(cè)拱腰的洞口位置表現(xiàn)比較明顯，各步開挖引起的位移變化如圖4.26所示。圖4.26 X方向位移變化圖Y方向的拱頂最大位移值隨著掌子面的開挖，最大值也跟著變化和移動，各步開挖引起的位移變化如圖3.27所示。圖4.27 Y方向位移變化圖由圖可知，無論是X方向的位移變化，還是Y方向的位移變化，在隧道開挖過程中，兩個方向的變化都體現(xiàn)出了較強(qiáng)的對稱性。（2）應(yīng)力場分析隧道上下行線進(jìn)行開挖的應(yīng)力場圖如圖4.28圖4.33所示。 a、1等值線圖 b、

31、3等值線圖圖4.28 第一步開挖的應(yīng)力圖 a、1等值線圖 b、3等值線圖圖4.29 第二步開挖的應(yīng)力圖 a、1等值線圖 b、3等值線圖圖4.30 第三步開挖的應(yīng)力圖 a、1等值線圖 b、3等值線圖圖4.31 第四步開挖的應(yīng)力圖 a、1等值線圖 b、3等值線圖圖4.32 第五步開挖的應(yīng)力圖 a、1等值線圖 b、3等值線圖圖4.33 第六步開挖的應(yīng)力圖應(yīng)力分析可以及時發(fā)現(xiàn)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，主要是初期支護(hù)和臨時支撐的變化狀態(tài)，從而確保隧道工程的施工安全。由圖4.344.36的應(yīng)力云圖分析可知：第一步開挖后，1主要出現(xiàn)在下行線洞內(nèi)的拱頂、拱底和洞外的拱頂與臨時支護(hù)交接處、拱底與臨時支護(hù)交接的拱

32、腳處、左側(cè)拱腰附近，拱底及拱頂出現(xiàn)的拉應(yīng)力較為明顯，而靠近掌子面的拱腰和拱腳壓應(yīng)力比較集中，1最大值為10.9MPa，由于臨時支護(hù)與拱底交接處呈直角連接，導(dǎo)致應(yīng)力過于集中；3主要出現(xiàn)在下行線洞內(nèi)的拱頂與臨時支護(hù)交接處、拱底與臨時支護(hù)交接的拱腳處、左側(cè)拱腰附近和洞外的拱頂、拱底，靠近掌子面的拱腰和拱腳壓應(yīng)力較為明顯，3最大值為-20.7MPa，出現(xiàn)的位置在下行線右側(cè)拱腳處。通過分析發(fā)現(xiàn)，無論是1還是3，應(yīng)力變化最大區(qū)域都位于右側(cè)拱腳處，確保臨時支護(hù)與初期支護(hù)的銜接很重要，所以需要在該處布設(shè)鎖腳錨桿控制該區(qū)域的破壞，其他容易破壞的部位也需要進(jìn)行保護(hù)及作為重點監(jiān)測對象。第二步開挖后，1主要出現(xiàn)的位置

33、與第一步相同，且下行線從范圍和數(shù)值上進(jìn)一步加大，上行線出現(xiàn)的位置與第一步下行線相同，不過產(chǎn)生的最大應(yīng)力仍位于下行線的右側(cè)拱腳處，且拱腰的應(yīng)力變化掌子面附近比較明顯。上行線應(yīng)力變化之所以小于下行線是因為下行線早于上行線開挖，但從應(yīng)力等值線圖上看，上下行線的變化趨勢非常相似；3主要出現(xiàn)的位置與第一步相同，變化情況類似于1，應(yīng)力最大值的位置仍位于下行線右側(cè)的拱腳處。第三步開挖后，1和3出現(xiàn)位置沒有改變，且上下行線范圍在繼續(xù)擴(kuò)大，1最大值和3最大值繼續(xù)增大，出現(xiàn)位置仍然在下行線右側(cè)的拱腳處，且上下行線產(chǎn)生的應(yīng)力變化值逐漸接近。第四、五步開挖后，1和3出現(xiàn)位置沒有改變，且上下行線的范圍在繼續(xù)擴(kuò)大，而1最

34、大值和3最大值由小到大逐漸趨于穩(wěn)定，出現(xiàn)的位置仍然在下行線右側(cè)的拱腳處，。第六步開挖后，1和3出現(xiàn)位置沒有改變，且上下行線的范圍在繼續(xù)擴(kuò)大，1最大值和3最大值所有降低，1最大值為22.6MPa，3最大值為-30.7MPa，出現(xiàn)位置沒有改變，且靠近掌子面拱腳變化較大。此時從整體上觀察上下行線的應(yīng)力云圖，應(yīng)力圖呈現(xiàn)了一定的對稱性。綜上分析，模擬隧道施工過程中，上下行線呈對稱性變化，靠近掌子面拱腰應(yīng)力變化較大，并且需要監(jiān)測的關(guān)鍵部位是拱頂、拱腰、拱腳和拱底。（3）初期支護(hù)位移場分析上下行線開挖過程中初期支護(hù)及臨時支護(hù)位移圖如下圖4.374.40所示。 a、X方向位移圖 b、Y方向位移圖圖4.34 自

35、重作用下的位移圖 a、X方向位移圖 b、Y方向位移圖圖4.35 第一步開挖的位移圖 a、X方向位移圖 b、Y方向位移圖圖4.36 第二步開挖的位移圖 a、X方向位移圖 b、Y方向位移圖圖4.37 第三步開挖的位移圖 a、X方向位移圖 b、Y方向位移圖圖4.38 第四步開挖的位移圖 a、X方向位移圖 b、Y方向位移圖圖4.39 第五步開挖的位移圖 a、X方向位移圖 b、Y方向位移圖圖4.40 第六步開挖的位移圖由圖的應(yīng)力云圖分析可知：隨著上下行線的開挖，X方向位移主要集中在上下行線左右拱腰附近，且位移最大值逐漸向洞內(nèi)轉(zhuǎn)移，并靠近掌子面附近，發(fā)生位置在上下行線外側(cè)的拱腰上，而且變化趨勢向洞外擴(kuò)張；

36、Y方向沉降最大值的位置位于上下行線正上方拱頂附近，且最大值逐漸向洞內(nèi)轉(zhuǎn)移，隆起最大值由下行線拱底中央位置轉(zhuǎn)移到上行線拱底中央位置，在整個開挖過程中，位移圖呈對稱性變化。5 施工監(jiān)測方法及其成果分析由于地下工程的受力特點及其復(fù)雜性，和半理論半經(jīng)驗設(shè)計方法存在的缺陷。掌握施工過程中的圍巖及結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)對施工安全及控制施工成本具有重要意義。5.1監(jiān)測成果分析本文選取XK1450斷面為典型斷面進(jìn)行分析，該斷面與前文ANSYS分析為同一斷面。該斷面采用雙側(cè)壁中導(dǎo)坑法施工施工進(jìn)度為每天兩個循環(huán)，每個循環(huán)0.5m，具體施工步驟實施時間如表5.1所示。表5.1 XK1450斷面雙側(cè)壁中導(dǎo)坑法施工時間表日期施

37、工進(jìn)度5月15日開挖下行線，并施作一次襯砌5月25日開挖上行線，并施作一次襯砌5月30日開挖中導(dǎo)洞，并施作一次襯砌6月3日施作上下行線及中導(dǎo)洞二次襯砌，并對中導(dǎo)洞上方區(qū)域回填混凝土6月8日開挖左導(dǎo)洞上半部，并施作一次襯砌與臨時支撐6月13日開挖左導(dǎo)洞上半部，并施作一次襯砌與臨時支撐6月17日拆除左右導(dǎo)洞上半部臨時支護(hù)，施作二次襯砌6月21日拆除左右導(dǎo)洞下半部臨時支護(hù)，開挖下半部土體，并施作一次襯砌6月26日施作左右導(dǎo)洞二次襯砌5.1.1地表沉降監(jiān)測由于地表沉降監(jiān)測點及隧道結(jié)構(gòu)都具有對稱性，故選取左半部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。由圖5.1、圖5.2以及表5.1分析可知：（1）該四連拱斷面地表沉降最大點位于

38、下行線正上方的地表點S6（具體位置見圖5.1），最大沉降量23,6mm；其次為左導(dǎo)洞上方地標(biāo)點，最大沉降量17.8mm，中導(dǎo)洞對應(yīng)地表沉降相對較小，為14.8mm。在隧道開挖20天的時候，距掌子面月3D，沉降量約占總沉降量的80%90%，20天以后變化趨于穩(wěn)定。（2）上下行線開挖過程引起的地表沉降的相互作用及其影響。對地表沉降點S6影響最大的為上行線的開挖，其次為中導(dǎo)洞的開挖。上行線開挖時下行線地表沉降還未穩(wěn)定，而中導(dǎo)洞及左右導(dǎo)洞施工時，S6沉降趨勢已趨于平緩。（3）及時施作二次襯砌對控制地表沉降具有明顯的作用。圖5.1顯示6月3日施作二次襯砌后S6、S7、S5曲線明顯變緩。斷面沉降曲線與沉降

39、槽曲線比較吻合。圖5.1 地表沉降點隨時間累積沉降值圖5.2 開挖過程中斷面累積沉降值5.1.2隧道收斂監(jiān)測本文選用四連拱段隧道收斂點的布設(shè)位置為每一洞室兩條測線，共十條測線。四連拱段的施工采用盡早施工二次襯砌，使二次襯砌與一次襯砌共同作用來控制圍巖變形。因此隧道收斂以及拱頂沉降的測量工作在隧道開挖后，二次襯砌施工前按照1次/天的頻率進(jìn)行，因而僅能反映隧道施工初期的圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性狀態(tài)。由圖5.3可知，隧道收斂值變化較大時間為隧道開挖后五天內(nèi)，五天以后收斂值變化趨于平緩，左右導(dǎo)洞收斂點在測量之初由于上下行線和中導(dǎo)洞都已開挖完成，兩側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)已無側(cè)向受力，僅支撐上部圍巖壓力，收斂值變化較小。圖5.3 隧道收斂變化曲線圖5.1.3拱頂沉降監(jiān)測拱頂沉降變化規(guī)律與地表沉降具有相似性，上下行線拱頂點的沉降量較大，左右導(dǎo)坑頂部沉降在開挖后四天趨于平緩。圖5.4 拱頂沉降變化曲線圖各拱頂沉降監(jiān)測點沉降曲線變化穩(wěn)定，無異常突變現(xiàn)象，根據(jù)楊小軍等人的結(jié)論可以判定，圍巖的穩(wěn)定性較好，工程所在地為黃土地區(qū)，由于黃土具有直立性的特點，并且工