杨克军

（温州设计集团有限公司，浙江 温州 325000）

0 引言

近年来随着城市轨道交通的建设，采用浅埋暗挖法施工的通道日益增多。国内外目前普遍采用的通道结构设计模型可归纳为四类：以工程类比为依据的经验法；以测试为依据的实用法；作用-反作用模型称为结构力学法；连续介质模型称为连续介质力学法[1]。而随着有限元软件的日益普及，数值模拟计算在通道结构计算中的应用也日益成熟。

1 通道设计概况

某软土地区地下通道横穿城市道路，道路宽度为30 m，通道呈一字形布置，通道开挖宽度7.6 m，通道顶覆土厚度为4.0 m。通道采用复合式衬砌，初期支护采用C20网喷混凝土+格栅钢架+连接筋联合支护，二次衬砌采用C30、S8现浇钢筋混凝土。通道施工采用108大管棚超前支护、TSS辅助二重管无收缩浆全断面预加固；分上下两层共六块，进行开挖支护并设临时仰拱和支撑，确保开挖安全；开挖台阶长度控制在3～5 m，二衬每次施工长度控制在6～9 m。

2 开挖方式数值模拟计算

2.1 有限元模型

采用ABAQUS通用计算软件，土体采用DP模型，支撑、初衬、二衬采用弹性模型，建立有限元模型。

（1）支撑采用梁单元模拟，初衬、二衬采用壳单元模拟，土体采用8节点实体单元模拟。

（2）TSS注浆管对周边土体的加固采用等效材料法近似处理。

（3）超前支护管棚作用提高管棚作用范围内的围岩材料参数来近似模拟。

（4）地面车辆、人流及施工荷载按照20 kN/m2来考虑。

（5）开挖面通过施加荷载来平衡。

根据经验，计算范围将开挖的影响区域包括进去，取开挖洞室的3～5倍洞径建立模型。具体如图1～图3所示。

图1 有限元网格模型

图2 断面尺寸（单位：cm）

图3 外围TSS注浆加固

计算模型纵向取100 m，横向按照最长通道31 m来考虑，深度为50 m。根据上述模拟，按照实际施工过程进行模拟计算，以下分别按照三种开挖方式计算并分析地表沉降。

2.2 通道开挖数值模拟分析

通道开挖方式按照图4的施工顺序进行模拟计算，即先开挖两侧，后开挖中间土体，如图4所示。

图4 分布开挖顺序

计算结果如图5～图11所示。

图5 开挖第一步竖向变形云图

图6 开挖第二步竖向变形云图

图7 开挖第三步竖向变形云图

图8 开挖第四步竖向变形云图

图9 开挖第五步竖向变形云图

图10 开挖第六步竖向变形云图

图11 地表沉降曲线

从图中可以看出，第一、二步下，先开挖左侧，左侧地面沉降明显大于右侧，第三、四步下右侧沉降增大，两侧基本对称；每个开挖步下沉降都在增大，地面最大沉降最终为40 m m。第四步下地面沉降基本达到最大，第五、六步下沉降基本不再增大。前面三步开挖卸载引起的地面差异沉降值明显大于后面两步的。

2.3 计算结论

（1）考虑注浆加固效果，开挖引起的地表最大沉降为4.2 cm。

（2）距开挖面10 m以下的土层基本稳定。

（3）分步开挖引起的地表沉降变形为一递增过程，每步开挖必须严格控制施工工艺，尤其是第一至第三步开挖。

3 拆撑稳定性数值模拟分析

通道开挖完成后，将进行二次衬砌浇筑，此时需将临时支撑逐步拆除。临时支撑的拆除打破了原有地层、结构体系的平衡，造成应力的重分布。对拆撑过程进行模拟分析计算的目的在于了解这一过程初支结构内力的变化，验证拆撑顺序的合理性，在保证初支结构稳定的前提下，为二次衬砌的施作创造条件。

按照上述模型进行拆撑计算分析，支撑及初衬网格如图12所示，当通道开挖完成初衬支护做好后，通道周围土体出现塑性区位置如图13所示，可见在对通道周围土体加固时应重点放在这些部位。

图12 支撑网格图

图13 开挖后塑性区云图

3.1 拆撑过程内力分析

首先取一品钢架和支撑进行二维分析，先拆除下导支撑，后拆除上部支撑，围岩压力按照等效荷载来考虑，如图14～图19所示。

图14 未拆撑前N

图15 未拆撑前M

图16 拆除下导支撑时N

图17 拆除下导支撑时M

图18 拆除全部支撑时N

图19 拆除全部支撑时M

从图中可以看出，在拆撑过程中，初衬轴力在增大，下部拱轴力减小；上部拱及上部拐角处弯矩在增大，所以设计时应考虑拆撑给结构造成的不利影响。

3.2 拆撑过程三维分析

主要用于模拟施工过程拆撑纵向对通道结构的影响，该次计算分析三种方案，一次拆撑长度分别为6 m、10 m、16 m。建立的模型如图12所示，计算结果如图20～图31所示。

图20 拆除6 m范围内下导支撑截面轴力云图

图21 拆除6 m范围内下导支撑截面弯矩云图

图22 拆除6 m范围内全部支撑截面轴力云图

图23 拆除6 m范围内全部支撑截面弯矩云图

图24 拆除10m范围内下导支撑截面轴力云图

图25 拆除10 m范围内下导支撑截面弯矩云图

图26 拆除10 m范围内全部支撑截面轴力云图

图27 拆除10 m范围内全部支撑截面弯矩云图

图28 拆除16 m范围内下导支撑截面轴力云图

图29 拆除16 m范围内下导支撑截面弯矩云图

图30 拆除16 m范围内全部支撑截面轴力云图

图31 拆除16 m范围内全部支撑截面弯矩云图

3.3 计算结论

（1）拆除下导支撑对结构体系的影响最大，拱顶弯矩增大120%，拆除时慎重考虑相应的保护性措施，确保施作安全。

（2）拆除完毕后，结构初支最大弯矩出现在拱部与边墙连接处，在结构配筋时应考虑这一因素。

（3）拆撑长度为16m时，拱部中间位置最大应力增大35%，使初支应力达到1.3 M Pa。

（4）拆撑时引起结构变形值，6 m为5.5 m m，9 m为8.5 m m，12 m 为11.6 m m。

综上所述，拆撑长度可定为6～9m，同时在拆撑过程中应采取提前主动换撑、加强通道结构变形与应力的监测。

4 结语

通过上述案例分析，并通过项目实践检验，连续介质力学法即数值模拟计算完全能模拟常规地质条件下暗挖通道施工过程中的不同施工方式、工序带来的衬砌受力变化情况、路面沉降变化及相关建筑物、构筑物受影响状况。根据其模拟结果进行分析计算，能更加精确地进行设计和对施工过程事故进行防范。