武汉地铁27号线联络通道矿山法施工数值计算分析

刘玉发，邹玉强

（1.中国葛洲坝集团市政工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.武汉中隧轨道交通工程技术有限公司，湖北 武汉 430080）

1 工程概况

1.1 工程简介

起新1#联络通道位于武汉市洪山区文化大道西侧，距离文化大道约40.22m，结构顶面距地面埋深约15m，地下无管线。根据其断面大小、埋深、地质、地下水情况及周边环境条件等因素确定采用喷锚暗挖法（矿山法）施工。开挖过程遵循“管超前，严注浆、短开挖，强支护、快封闭，勤量测”的原则，在初期支护达到设计强度并根据监测结果基本稳定后，及时施作防水层和二次衬砌。为保证开挖施工安全，减小隧道及地面沉降，开挖前对场内土层采用三轴搅拌桩+洞内补充注浆加固。布置三轴搅拌桩Φ850@600共442根，采用P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比为0.6～0.8，加固体28d无侧限抗压强度≥1.0MPa，抗渗系数＜1.0×10-7cm/s。

1.2 支护参数

图1 标准横断面

1.3 工程地质情况

起新1#联络通道主要位于6-1粉质黏土中，下伏砾卵石层及强风化泥质粉砂岩，上覆3-2粉质黏土、3-1黏土、1-1杂填土。场地位置如图2所示，土层参数参考本工程地质勘查报告及本地区类似工程反馈的岩土物理力学参数，如表1所示。

2 有限元模拟计算

2.1 数值模型建立

图2 场地工程地质条件

表1 场地岩土物理力学参数

数值模拟计算采用Midas-GTS岩土有限元软件。建模时，土层采用平面应变单元模拟，本构采用修正摩尔库伦本构；初支与二衬结构均采用1D梁单元模拟（在第一次析取梁单元生成初支结构的基础上，再次析取梁单元生成二衬结构，从而保证二者计算节点的耦合），场内地面超载20kPa；考虑到模型边界范围对计算精度的影响，本次模型边界范围采用开挖尺寸的3～5倍。

2.2 数值模拟结果分析

（1）工况分析。为验证在喷锚暗挖法中在开挖前对土体预加固预处理的重要性，研究分析了以下两种工况下的变形。①对比分析了土层在未加固情况下与在三轴搅拌及洞内补充注浆加固后的开挖变形值，如图3所示。计算表明：土层未加固的变形值整体上是加固后变形值的2倍左右，同时开挖完成后二衬结构变形大，远远超过了规范所要求的变形控制标准。②在三轴搅拌加固的情况下，对比分析了洞内补充注浆加固与否后的初支与二衬变形值，如图4、图5所示。计算结果表明：第一，洞内超前小导管补充注浆与否，在拱顶与侧墙连接处均出现了应力集中，在实际施工过程中，采用锁脚锚杆对该部分进行加固处理；第二，超前小导管注浆与否对拱顶的影响要远大于对拱腰的影响，超前小导管注浆可以减少掌子面土层的受力，把一定范围内土层结成整体，从而提高开挖上部土层的刚度和强度，保证隧道开挖稳定。

图3 土体开挖变形对比分析

图4 初支变形值（在三轴加固情况下）

图5 二衬变形值（在三轴加固情况下）

通过以上两种工况下模拟计算的变形对比，体现了在喷锚暗挖法中对土体预加固预处理的重要性。

（2）支护结构受力分析。通过计算分析确定哪些部位的变形量大，在实际施工中，重点关注这些部位，为实际施工提供指导。鉴于地下工程支护结构主要为受弯构件，土层加固与洞内补充注浆下初支与二衬弯矩图如图6、图7所示。

图6 初支弯矩图

图7 二衬弯矩图

3 监测方案及数据分析

3.1 监测方案与控制标准

根据隧道监测点位布置方案及相关规范，其监测点布置如图8所示。监测项目报警值一般由累计值和变化速率两方面控制，监测控制标准如表2所示。

图8 起新1#联络通道断面测点布置示意图

表2 施工位移监控量测值控制标准

3.2 监测结果分析

在隧道开挖过程中，地表变形量、开挖断面拱顶及侧向水平变形量是反映隧道开挖安全与否最直观可靠的表现，是隧道开挖监测中的关键性指标。在起新1#联络通道全过程施工中，地表变形量、开挖断面拱顶变形量及侧向水平变形量每天实际监测值和累计变形监测值如图9、图10所示。

图9 每天实际监测值

图10 累计变形监测值

从图9和图10中可以看出：随着土方的开挖，上述三种变形值是一个动态变化的过程。考虑到隧道开挖初期支护是一个随挖随支的过程，开挖至第33d，该联络通道全断面开挖贯通，在还未施作二衬结构的情况下，此时上述三种变形值达到最大，并且在停止开挖之后，仍呈现慢性增大的趋势，即时空效应。在第44d二衬结构施工完成之后，伴随着二衬结构混凝土强度的上升，变形值越来越小，并基本结束。

4 模拟与实测结果对比分析

在主要工序下该联络通道有限元模拟计算值与实际累计变形监测值的对比如图11所示。由于建模时二衬结构单元是在初支单元的基础上析取得到，未考虑二者之间的相互滑移，因此造成了隧道净空内的水平及拱顶的计算变形值在初支及二衬时几乎一致。同时，没有突变值体现了支护结构具有足够的强度和刚度，反映了支护结构参数设计的合理性。

图11 有限元模拟计算值与实际累计变形监测值的对比

水平计算值与水平监测值存在较大的误差，这是因为在有限元计算中考虑了地面超载引起的侧向土压力使得水平计算值变大。目前岩土本构模型的局限性以及岩土材料的敏感性，也是造成误差的主要原因之一。总体而言，数值模拟结果与实际监测结果较为吻合，一定程度上可反映实际情况。

5 结束语

通过以上有限元理论计算值与实际监测值对比分析，可得到如下结论：

（1）在采用喷锚暗挖法对隧道的开挖施工过程中，要严格遵守喷锚暗挖法的18字方针。尤其是要清楚在开挖前对土体预加固预处理的重要性，为开挖面提供一个安全可靠的作业环境。

（2）超前小导管注浆与否对拱顶的影响要远大于对拱腰的影响。超前小导管注浆可以减少掌子面土层的受力，把一定范围内土层结成整体，提高开挖面上部一定范围内土层的刚度和强度，保证开挖面稳定。

（3）利用Midas-GTS对隧道开挖过程变形的模拟是可行的，考虑到岩土材料的敏感性以及目前岩土本构方程的局限性，模拟值与监测值虽然存在一定的误差，但是总体变形趋势一致，能够比较清晰地反映实际情况，在实际施工过程中具有一定的可行性与指导性。