金星亮，胡曦波

(1.中铁隧道局集团有限公司 勘察设计研究院，广东 广州 511455；2.中铁重庆地铁建设指挥部，重庆 401120)

多条线路交汇对隧道断面面积提出了更高的要求。在客运专线及轨道交通隧道中尝试了大断面隧道，国内对于大断面隧道的设计和施工积累了一些经验。

文献[1]采用MIDAS/GTS对扁平超大断面隧道施工力学特征进行了分析，得到了施工过程中隧道围岩变形规律。文献[2-3]通过现场试验、理论分析及数值模拟分别对砂质泥岩及煤系地层隧道围岩稳定性进行了分析，得到了围岩应力分布规律。文献[4]综合采用了理论分析、数值模拟和现场实测3种方法，对不同开挖方式和支护方式下围岩的变形规律和稳定性进行了分析。文献[5]采用数值模似方法，结合监测数据，分析了某大跨软弱围岩隧道开挖扰动区域的时空分布特征；文献[6]对 6 种施工方案下超大断面黄土隧道开挖过程中围岩变形进行了数值模拟分析，得出交叉中隔墙法为较优方法；文献[7]采用MIDAS/GTS软件，从锚杆受力、喷射混凝土受力以及衬砌变形等方面对3种扁平断面隧道围岩受力状况进行了分析。

以上文献采用不同的研究方法对隧道围岩稳定性进行分析，但对于城市地铁浅埋扁平超大断面隧道的研究还很少，需要更深入的研究。本文以重庆轨道交通5号线3标段浅埋扁平超大断面隧道段工程为依托，采用现场测试及数值模拟相结合的方法对围岩稳定性进行分析。

1 工程概况

重庆轨道交通5号线单拱四线地铁隧道为国内在建最大跨度暗挖区间隧道，钻爆法开挖。扁平超大断面隧道段长约53 m，开挖跨度27.6 m，高度17.2 m，拱顶覆土厚12 m，开挖断面388.47 m3，矢跨比近0.62，围岩为砂质泥岩，Ⅳ级。该隧道属于浅埋扁平超大断面隧道。

采用双侧壁导坑法施工，步序见图1，左右导坑开挖依次错开3～5 m。分步开挖后进行支护。将各分步开挖的相互影响降到最低，进而控制整个断面开挖坍塌风险。开挖过程中严格控制爆破振动，对地表药厂、高层建筑的振动影响也应降到最低。

图1 双侧壁导坑施工步序

超大断面隧道开挖后将会出现更大的塑性区和更大的变形；隧道拱脚应力集中；隧道跨度的增大，拱顶受力作用面积较大，拱顶较易失稳发生坍塌[8]。浅埋隧道由于隧道拱顶覆土较薄，地表易隆起，对地表建(构)筑物影响较大。

2 现场监测

2.1 测点布置

图2 洞内测点布置(单位：cm)

洞内测点布置见图2。在隧道两端及中部各选取一个断面，在地表以间距8 m埋设测点，共 6 个。监测控制值根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[9]及设计文件确定。拱顶沉降报警值为30 mm，水平收敛、地表沉降、地表隆起报警值分别为30,50，15 mm。

2.2 监测结果分析

断面DK18+140位于隧道一端，断面DK18+160位于隧道中部。隧道开挖过程中测点DK18+140-2和DK18+160-2拱顶累计沉降时程曲线见图3。可见：2个 测点拱顶累计沉降时程曲线变化趋势基本一致。由于首先开挖到断面DK18+140附近，该断面拱顶累计沉降曲线较早达到最大值。进行左右导洞贯通开挖时，由于预留核心土未开挖，拱顶沉降量较小，随着开挖的进行，拱顶累计沉降呈现持续增大趋势，监测到第40 d核心土开挖完，拱顶累计沉降在12 mm左右，随后达到稳定状态。开挖阶段中间断面测点DK18+160-2的拱顶累计沉降最大，其值为15.4 mm，最终稳定在10.25 mm，未超出TB 10003—2016规定的报警值30 mm。

图3 拱顶累计沉降时程曲线

图4 地表累计沉降时程曲线

DK18+160-1～DK18+160-6为断面DK18+160地表的 6 个监测点，选择具有代表性的测点 1,4,5进行分析。地表累计沉降时程曲线见图4。可见：开挖两侧导坑阶段地表沉降缓慢增大，受施工等影响出现小范围波动，各测点的沉降和隆起值在-6～+2 mm变化，整体呈增大趋势；在施作支护阶段90 d 左右测点DK18+160-5出现了明显的隆起现象，最大隆起值达到3 mm，但未超过控制值15 mm，可能与该处回填土厚度以及周边桥墩作用有关，施工阶段应当密切关注地表沉降以及周边桥墩沉降情况。在开挖核心土(120 d)后，地表沉降明显增加，随后沉降逐渐趋于稳定，部分测点出现小范围的隆起，但整体波动幅度不大。测点DK18+160-4位于大跨中轴线位置，其余各测点均匀分布于大跨中轴线两侧，测点DK18+160-4地表累计沉降最大，其值为12.44 mm，未超出TB 10003—2016规定的报警值50 mm。

3 有限元模拟

3.1 模型的建立

采用MIDAS/GTS建立有限元数值模型，见图5，对隧道开挖过程进行动态仿真模拟。隧道围岩采用三维实体单元。初期支护采用双层钢筋网作为骨架，在钢筋网部位喷射厚30 cm的C25混凝土；二次衬砌及仰拱采用厚100 cm的C40钢筋混凝土。隧道围岩及支护结构基本物理力学参数见表1。

图5 有限元数值模型

围岩及支护结构弹性模量/MPa重度/(kN/m3)黏聚力/MPa内摩擦角/(°)泊松比模型砂质泥岩1 66025.60.7533.30.36摩尔库伦喷射混凝土28 00023.00.20弹性锚杆200 00078.00.30弹性二次衬砌33 50025.00.20弹性

根据有限元理论结合工程实际，分析模型宽取5倍 洞径，拱顶到地表覆土厚取12 m，仰拱至底部取2倍 洞径。模型左右边界施加水平方向约束，底部边界施加竖向和水平向约束，顶部为自由边界。围岩选择摩尔-库伦本构模型，其他结构采用各向同性弹性模型[10]。

3.2 施工步骤

模拟实际施工过程，采用双侧壁导坑法开挖，具体步骤：

1)首先开挖土体①，每个分析步长5 m，应力释放30% 后进行初期支护，土体①开挖完一个施工步后，开始开挖土体②，随后土体①和②同时进行贯通开挖，然后交替进行土体③～⑥的开挖和初期支护,开挖核心土⑦～⑨。

2)核心土开挖完成及初期支护完毕后，拆除临时支撑施作二次衬砌。

3.3 结果与分析

图6(a)为围岩Von Mises应力云图。可见：拱脚及边墙附近应力值较大。扁平超大断面隧道拱顶受力面积较大，拱脚应力集中，应力为1.21×103kPa。

图6(b)为围岩竖向位移云图。可见：拱顶沉降范围及沉降值较大，仰拱有隆起现象，拱顶最大沉降为5.28 mm，仰拱隆起为7.54 mm。施工阶段应加强监测，及时封闭成环。

图6 围岩受力及变形云图

图7 数值模拟值与实测值对比

3.4 数值模拟值与实测值对比

选取拱顶中间监测点，将数值模拟值与实测值对比，见图7。可见：拱顶累计沉降及拱脚累计水平收敛的数值模拟值与实测值较为吻合，但地表累计沉降数值模拟值与实测值存在较大差异，特别是拆除中隔墙后地表累计沉降实测值显著增大。原因：①由于现场施工条件复杂，隧道的开挖及支护都会对围岩造成扰动；②重庆地区雨量较大，地下水丰富，该工程为浅埋扁平隧道，数值模拟未能准确模拟地表降水、地下水及局部围岩条件；③该隧道地表土为人工填土，由于雨水的浸入，地表沉降实测数据稍大。

4 结论

1)浅埋超大断面隧道容易受到地表构筑物影响而出现地表隆起现象，应当加强监测，避免对地表环境造成影响。

2)双侧壁导坑法有效控制了拱顶沉降，各步开挖对围岩扰动较小，但拆除中隔墙时拱顶沉降会突然增大，并出现回弹现象。这是由于现场施工条件复杂，未能及时支护并封闭成环。

3)在隧道开挖过程中地表累计沉降及拱顶累计沉降曲线出现2个台阶，突变点对应于拆除中隔墙时。拱脚累计水平收敛曲线出现3个台阶，2个突变点分别对应左右导坑开挖和拆除中隔墙时。施工中应当增强拱脚支护强度。

4)扁平超大断面隧道拱顶受力作用面积大，受力较大部位由拱腰下移至边墙附近，拱脚应力集中，开挖完成时仰拱隆起，应及时封闭成环。

5)工程实测值与数值模拟值变化趋势一致，说明采用的数值模型合理，能够较为真实地模拟实际施工，可为类似工程提供参考。