青岛地铁小净距隧道动态施工力学行为

青岛地铁小净距隧道动态施工力学行为研究

摘要：以在建“青岛地铁”非对称小净距隧道为依托，采用数值模拟，深入研究非对称小净距隧道变形特性、力学响应，总结台阶法、crd法施工全过程力学行为规律。得出主要结论：(1) 后行洞(断面大)施工对先行洞(断面小)拱顶和仰拱基本没有影响，先行洞变形主要受自身施工控制，其中关键控制步为ⅲ区和临时支撑的拆除，会导致地表和拱部沉降突变，同时crd法能有效减少洞身变形。(2) 对于先行洞而言，中岩墙侧支护结构轴力大于背离中岩墙侧，弯矩和安全系数小于背离中岩墙侧。对于后行洞而言，中岩墙侧支护结构轴力和弯矩小于背离中岩墙侧，安全系数大于背离中岩墙侧。(3) 应采用非对称设计，加强先行洞中岩墙侧支护参数，而后行洞支护设计而言，背离中岩墙侧需加强参数，与先行洞规律相反。(4) 围岩塑性区范围随施工步不断扩展，最终塑性区主要集中在中岩墙处，进一步验证中岩墙加固能有效提高小净距隧道整体稳定性，crd法可有效度减小塑性区。研究成果对青岛地铁小净距隧道有指导意义，为今后类似非对称小净距隧道工程设计和施工具有参考价值。

关键词：小净距隧道施工力学支护优化中岩墙稳定性 1引言

随着我国城市地铁的飞速发展，隧道间的最小净距所带来的选线、土地征用、环境保护等多方面的矛盾日益突出，小净距隧道由自身独特的优点得到了大量的应用。在地形基本对称时，非对称小

净距隧道只受结构偏压和施工偏压的作用，合理的施工方法可以减小其偏压作用，提高自身整体稳定性。

目前学者对小净距隧道研究主要集中在爆破振动控制、量测和对开挖的数值模拟等方面，而对非对称小净距隧道动态施工力学行为研究较少。从目前取得成果看，对小净距隧道施工过程中力学响应、变形等特性规律认识明显不足，更缺乏系统深入的研究，难以满足我国城市地铁隧道大规模建设需要。因此，对非对称小净距地铁隧道动态施工力学行为研究具有重要理论意义和实践价值。 2工程概况

青岛地铁北端与团岛端接线分离式隧道地下相接，工程设计起点（右线yk2+730，左线zk2+755），路线以隧道形式沿团岛路向南，下穿部队营区，进入海底向西南，穿越胶州湾湾口，在接近薛家岛时上岸(右线半径为4945m)，于北庄村和后岔湾村之间出洞。最小隧道净距采用3.8m，埋深40m。 3数值模拟 3.1计算模型的建立

隧道横断面方向为205m，隧道中心到底部边界选取45m，左右边界水平位移约束，下边界竖直位移约束，上边界为地表自由边界。初期支护和临时支护采用beam3 单元，围岩采用plane42 单元。整个计算模型共有2640个单元，2503 个节点。 3.2计算参数

参考地质勘察和设计院提供的参数分析报告，结合现行《铁路

隧道设计规范》（tb10003-2005），围岩、加固区及支护计算参数。 表1围岩物理力学参数

3.3施工顺序

根据现场实际施工顺序和工艺，先施工左洞，再施工右洞。其中，左洞为上下台阶法，右洞为crd法。 4数值模拟结果与分析 4.1围岩变形 （1）地表沉降

在评价隧道稳定性时，变形是重要数据之一。随施工步进行，地表沉降曲线逐渐增大。

左洞施工结束时，地表最大沉降为0.73mm。右洞对地表沉降影响较大，特别是右ⅰ和右ⅲ区的开挖，及最后临时支护的拆除。从位移变化来看，右ⅰ、右ⅲ区开挖及拆除临时支护是关键施工步，需引起足够重视，确保施工安全及结构稳定性。 （2）洞周关键点时程分析

洞周竖向变形比较有规律，右洞施工（施工步大于5）对左洞拱顶和仰拱基本没有影响，左洞变形主要受自身施工控制。左洞施工对右洞变形影响也较小，右洞拱顶变形有两个突变点，分别为右ⅲ区施工（step11）和临时支撑的拆除（step14）。

由于净距的相互叠加和影响，水平变形规律性较差，左洞水平变形大于右洞水平变形；同时，中岩墙两侧变形呈现波浪状变化，

而背离中岩墙两侧的水平变形一直增大。可见，小净距隧道的施工对中岩墙的扰动是很明显的，验证了中岩墙加固的必要性。 4.2支护力学响应

小净距隧道施工顺序对支护结构力学非对称效应明显。对于先行洞而言，由于中岩墙的加固作用，使得最大轴力发生的拱部偏左侧。随着右洞的施工，左洞轴力最大值逐渐向中岩墙侧移动。对于后行洞而言，由于先行洞施工，相当于中岩墙部分约束解除，竖向临时支撑承受较大的轴力作用，随着临时支护的拆除，支护结构轴力增大，中岩墙侧支护轴力明显小于外侧支护轴力，即后行洞靠近先行洞一侧的支护内力也明显小于背离先行洞一侧。而弯矩最大值主要发生在临时支持和环向支护的接头处，拆除时，需引起足够注意。

后行洞拆除临时支护后，先行洞支护关键点内力和安全系数如表2所示。

表2先行洞支护结构内力和安全系数

从表2看出：对于先行洞而言，中岩墙侧支护结构轴力大于背离中岩墙侧。支护弯矩边墙以上大于背离中岩墙侧，边墙及边墙以下小于背离中岩墙侧。中岩墙侧安全系数小于背离中岩墙侧。从结果安全角度，先行洞应采用非对称设计，加强中岩墙侧支护参数，确保施工安全。

后行洞拆除临时支护后，后行洞支护关键点内力和安全系数如

表3所示。

表3后行洞支护结构内力和安全系数

从表3看出：对于后行洞而言，中岩墙侧支护结构轴力小于背离中岩墙侧。支护弯矩边墙以上小于背离中岩墙侧，边墙及边墙以下大于背离中岩墙侧。中岩墙侧安全系数大于背离中岩墙侧。因此，对于后行洞支护设计而言，亦采用非对称设计，加强背离中岩墙侧设计参数，与先行洞规律相反，才能有效的提高非对称小净距隧道整体稳定性。

4.3塑性区分布特征分析

当围岩进入塑性流动状态，其承载能力将大幅度下降，甚至发生整体失稳。非对称小净距隧道典型施工步围岩塑性区分布。 围岩塑性区范围随施工步不断扩展，crd法可以有效大幅度减小塑性区，最终塑性主要集中在中岩墙，但是没有贯通，进一步验证对中岩墙加固的必要性。 5结语

根据青岛地铁非对称小净距隧道实际施工工艺，通过研究施工全过程力学行为，主要得出如下结论：

(1) 后行洞(断面大)施工对先行洞(断面小)拱顶和仰拱基本没有影响，先行洞变形主要受自身施工控制。先行洞施工对后行洞变形影响也较小，后行洞拱顶变形有两个突变点，分别为右ⅲ区和临时支撑的拆除，证明crd法能有效的减少洞身变形。

（2）施工结束后，先行洞中岩墙侧支护结构轴力大于背离中岩墙侧。支护弯矩边墙以上大于背离中岩墙侧，边墙及边墙以下小于背离中岩墙侧。中岩墙侧安全系数小于背离中岩墙侧。后行洞支护结构轴力、弯矩和安全系数分布规律与先行洞正好相反。 （3）隧道应采用非对称设计，加强先行洞中岩墙侧支护参数。但是，而后行洞支护设计而言，应加强背离中岩墙侧参数，与先行洞规律相反。

（4）施工过程中，围岩塑性区范围随施工步不断扩展，最终塑性区主要集中在中岩墙处，还没有贯通以形成整体流动状态，进一步验证中岩墙加固有效提高小净距隧道稳定性，证明crd法可有效减小洞周变形和塑性区，保证施工安全及稳定性。