1、浅埋土质大断面隧道开挖顺序三维数值模拟研究摘 要：金普快速轨道线路 DK28+160-DK28+890 设计为地下暗挖双车道大断面隧道，下穿沈大高速公路。该区域地质复杂，围岩为黏土，性质比较差。本文基于弹塑性 Mohr-Coloumb 本构模型和三维拉格朗日数值模拟方法，对开挖顺序和施工过程进行三维数值模拟，分析了不同开挖顺序和支护条件下的围岩应力、位移和破损区情况，并对于地面沉降情况进行了分析。通过对不同方案施工结果的比较与评价，为合理的方案选择提供基础，对于施工具有重要的参考意义。 关键字：隧道；浅埋；大断面；开挖顺序；数值模拟 中图分类号：U45 文献标识码：A 一、引言 金普线位于辽东
2、台隆和华北断坳两个二级构造单元的交接部位。金普快速轨道线路第六标段位于三十里堡，施工里程为 DK28+160-DK28+890，长 750 米。隧道拱顶离地面最深为 5 米，由于下穿沈大高速公路，地表沉降控制比较严格。隧道设计采用 CRD 法施工，部分区段为级围岩。鉴于隧道结构和所处地质体的复杂性，为了对施工方案进行评价，基于弹塑性 Mohr-Coloumb 本构模型和三维拉格朗日数值模拟方法，对开挖顺序和施工过程进行三维数值模拟。 二、工程概况 隧道洞身揭露地层结构主要由粘性土、砂类土、碎石类土组成，断面的开挖方法选用 CRD 法进行施工。根据钻探揭示，该场地地层结构主要由第四系全新统人工堆
3、积层（Q4ml）及第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）及震旦系中统（Z2）基岩组成。工程地质纵断面图见图 1。 图 1 地质断面图 三、有限元数值模拟 （一）有限元模型的建立 计算采用有限差分软件 FLAC3D，依照施工图纸，建立数值模型如图2，本次计算范围选取为：上部取至地表 5.35 m 左右，下部边界取至离隧道外缘周边约 24.6 m，模型长 10m；左右为水平约束边界，下部为垂直、水平约束边界，地表为自由边界。计算模型总单元数为 24400 个，总节点数为 27566 个。 图 2 数值模型 （二）参数取值 根据围岩的地质勘察报告及支护体系的经验取值。以表 1 的参数取值为本模型的计
4、算参数。 表 1 围岩及支护体系的物理力学参数 四、不同支护条件的计算结果分析 （一）有支护条件的不同开挖顺序 在地质条件较差的情况下, 地下工程往往不能全断面开挖, 一蹴而就, 这就需要在施工中采用合理的施工顺序。另外, 在地铁、公路铁路隧道中, 由于受地形限制, 往往不得不在距离较小的条件下实施两孔或多孔隧道的施工。多孔隧道的不同开挖顺序, 效果往往有所差异1, 尤其是地质条件比较特殊的情况。本模型考虑开挖次序对地表沉降的影响，先采取支护条件下 1-2-3-4 的开挖顺序，本次开挖顺序由右向左，支护条件不变。软件记录地表历史沉降。变换开挖顺序 1-3-2-4，即调换第 2步跟第 3 步。开
5、挖顺变为由上往下。 1-2-3-4 开挖顺序 1-3-2-4 开挖顺序 图 3 地表沉降曲线对比图 由图 3 看出，开挖完第一步时的位移大约在 14mm，若以第一种开挖顺序继续开挖至第二步，地表的位移沉降值表现出明显不同。1-2-3-4 方案的竖向最大位移比 1-3-2-4 方案的减少约 3.3mm。由此可见从右向左的开挖顺序能够有效的减小地表沉降，两种方案的结论均满足施工的要求。(a) 从右往左的开挖顺序 (b) 从上往下的开挖顺序 图 4 开挖第二步塑性区对比 不同的开挖顺序造成不同的塑性区。由图 4 可以看出，1-2-3-4 方案中塑性区明显比 1-3-2-4 方案塑性区范围大。前一方案
6、由于先开挖竖向洞， 使得偏压隧道周围塑性区增大，破坏形式剪切破坏为主。后一方案中, 由于先开挖上部隧道,横向开挖面大，造成对隧道塑性区范围影响不大。由此可见两种开挖方式造成了两种不同的塑性区破坏形式。相对而言前者是具有相对风险的开挖顺序2。 （二）无支护条件的不同开挖顺序 1-2-3-4 开挖顺序 (b) 1-3-2-4 开挖顺序 图 5 地表沉降曲线对比图 由图 5 可见，在无任何支护条件下，两种开挖方案产生的位移都较大，1-2-3-4 方案的最大竖向位移约为 64mm，最大水平位移约为 54mm;1-3-2-4 方案的竖向最大位移约为 160mm，洞周最大水平位移约为 20 多 mm,两种
7、开挖方案围岩发生大量塑性变形，围岩结构不稳定，容易发生事故。四、结论 1）按照设计的支护条件，开挖上半部形成的地表沉降位移为 19mm，开挖侧半部地表沉降位移为 16mm。都满足稳定性要求。 2）如果不加支护开挖上半部形成的地表沉降位移 159mm，开挖侧半部地表沉降位移为 64mm，都不满足稳定性要求。开挖上半部形成的地表沉降位移远远大于开挖侧半部方式，也就是说开挖侧半部的方式更容易保持稳定。 3）开挖上半部方式如果注浆效果不好，仰拱不及时，单纯靠上半部分的钢格栅，地表沉降位移为 52mm。因此在施工中应加强小导管注浆效果，及时施加底板仰拱。尤其注意中隔板的强度和牢固性。 参考文献： 1 丛恩伟. 多目标规划理论在新建隧道开挖顺序优化问题中的应用J. 铁道工程学报. 2008, 11:66-76. 2 鲁荣刚. 超浅埋偏压隧道与邻近隧道开挖顺序分析J. 岩土工程.2007, 27(2):112-114. 3 吴波, 高波, 漆泰岳, 等. 城市地铁区间隧道洞群开挖顺序优化分析J . 中国铁道科学, 2003, 24( 5) : 23-24. 基金项目：大连市交通科技项目（201110） ；中央高校基本科研业务费资助项目：（2012TD015）
