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【摘 要】 青岛属于土岩组合地层，青岛地铁浅埋或超浅埋大断面暗挖工程在国内外都少见，施工难度和风险较大，无本工程类似经验。本文对青岛地区土岩组合——“上软下硬”地层大跨度浅埋暗挖车站的施工进行三维数值模拟研究，对车站在开挖过程中围岩的变形和应力状态进行分析，对现场施工作业具有一定的指导意义。
【关键词】 大跨度；浅埋暗挖；围岩变形；地表沉降；数值模拟
1 引言
近年来，在中国交通建设领域涌现了很多大跨度隧道，如高速公路三车道或四车道隧道[1]、铁路客运专线隧道、铁路车站隧道以及地铁暗挖车站[2-3]等，这些隧道的开挖跨度多在15m以上，其中铁路三线车站隧道的开挖跨度在21m左右，高速公路四车道隧道跨度可达21～23m，隧道跨度增大必然使断面扩大，如某隧道开挖跨度21m，隧道断面达230m2。
对于大跨度的暗挖车站，通常将大断面分割成几个小洞室分部开挖，由于开挖多个导洞，地层多次被扰动会引起地层过大沉降，导洞断面不规则更加大了开挖引起的沉降[4]，所以在大跨度暗挖车站隧道施工时，如何控制沉降和及时完成支护封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系，减小地表的沉降，保证隧道工程的安全施工一直是隧道工程的研究热点问题。当城市地铁大跨度隧道工程所在地处于繁华市区，环境安全要求高，有必要进行深入研究。
目前国内大部分暗挖地铁车站均为第四系土层中（多数土质、砂卵石、沉积岩与变质岩地层中）、非爆破开挖，青岛土岩组合地层中浅埋或超浅埋大断面暗挖工程在国内外都少见[5]，施工难度和风险较大，无本工程类似经验。本文对青岛地区土岩组合——“上软下硬”地层大跨度浅埋暗挖车站的施工进行三维数值模拟研究，对车站在开挖过程中围岩的变形和应力状态进行分析，对现场施工作业具有一定的指导意义。
2 模型参数
采用Mohr-Coulomb模型模拟杂填土、粉质粘土与强风化花岗岩，采用Elastic模型模拟中风化和微风化花岗岩。使用Mohr-Coulumb模型总共需要5个参数，分别是弹性模量E，泊松比v，摩擦角φ，粘聚力c和剪胀角ψ。工程设计上的弹性模量取值往往根据地勘报告中的压缩模量Es，0.1-0.2来估计土体的变形模量。变形模量在地层上部可以取3-5倍的压缩模量，并且随着深度的增加压缩模量逐步的扩大。
采用Mohr-Coulumb模型除了土体的变形参数，还需要输入土体的强度参数。在不排水分析中，土的内摩擦角和粘聚力根据固结不排水三轴试验得到的有效强度参数取值。经过适当的简化，计算用参数采用地勘参数，如表1。
3 车站正洞开挖过程数值模拟分析
3.1 围岩变形分析
图1～5为开挖到二衬施做完成围岩变形竖向云图，6～10开挖到二衬施做完成围岩变形横向云图。
随着开挖的进行，开挖区域上部产生竖向沉降和横向位移，数量值逐渐增大，竖向沉降主要发生在开挖区域正上方，横向位移发生区域主要集中在开挖拱部及其斜上方。二衬施做完成后，模型竖向位移云图见图9，最大值为0.5mm，发生在拱顶。由以上横向位移云图可见，模型横向位移基本对称，最大值约0.17mm，发生在模型偏右侧。横向位移右侧（向左）较左侧大，左侧横向位移（向右）范围较大，这是因为左导洞超前开挖，右侧滞后开挖所致。
上图六条曲线分别是：左导洞进洞、右导洞进洞（左导洞超前18m）、中部岩柱开始开挖（滞后右导洞24m）、开挖形成全断面、拆撑和施做二衬等六个工序下开挖后的沿隧道轴线方向地表沉降曲线。地表沉降随着开挖的进行逐步增大，主要由中部岩柱的开挖导致，其后逐步趋于稳定，最大值约为0.4mm。
由图12可见，拱顶沉降主要由中部岩柱的开挖工况引起，最大沉降值约0.5mm，地表沉降值约为拱顶沉降值的80%。
由图13可见，左右导洞由于断面较小开挖引起的地表沉降较小。拱顶部位岩体的开挖所引起的地表沉降占总地表沉降的主要部分。但随着开挖面的移动，橫断面地表沉降发展趋于稳定。
3.2 围岩应力状态分析
图14～17为导洞开挖完成一个循环（6m）后最大、最小主应力云图，从图可以发现：
（1）当左导洞进洞后，由于开挖卸载，围岩最大主应力减小，两侧壁出现压应力，约700kPa，顶部及导洞底部有拉应力产生，约60kPa。
（2）当右导洞进洞后右导洞两侧壁同样出现压应力，右侧壁压应力较大，洞顶及洞底出现拉应力，约63kPa。左洞侧壁压应力区明显，约800kPa。开挖面前方岩土体在卸载作用下的向洞内的位移使开挖面大部分区域出现拉应力。
图18～21为导洞开挖完成到二衬施作完成后最大、最小主应力云图，从图可以发现：
（1）形成台阶状开挖断面后，拱顶和洞底拉应力区最大拉应力约63kPa；侧壁为压应力，约900kPa，可见随着开挖的进行侧壁压应力逐渐增大，而拉应力变化不大。拱腰出现较大的压应力区，尤其是右侧拱腰压应力区更为明显，拱脚出现了较大的压应力，约2.0Mpa，表明拱部围岩形成了具有一定承载能力的压力拱，部分荷载被承载拱分担，致使拱脚出现较大的压应力。
（2）二衬施作完成后岩土体的最大和最小主应力云图。随着开挖的进行，洞顶及洞底进入了拉应力区，但拉应力数值变化不大，最大约63kPa；侧壁受压应力作用，拱脚最大压应力达2.7MPa，表明承载拱分担着部分上部岩土的荷载。开挖卸载对围岩应力的释放效果明显。
4 结论
由三维数值模拟研究分析可以得到结论：
（1）随着开挖的进行，开挖区域上部产生竖向沉降和横向位移，数量值逐渐增大，竖向沉降主要发生在开挖区域正上方，横向位移发生区域主要集中在开挖拱部及其斜上方。二衬施作完成后，模型竖向最大位移发生在拱顶。模型横向位移基本对称，最大值发生在模型偏右侧。这是因为左导洞超前开挖，右侧滞后开挖所致。
（2）地表沉降、拱顶沉降随着开挖的进行逐步增大，主要由中部岩柱的开挖导致，其后逐步趋于稳定。
（3）导洞开挖完成一个循环后，可以发现：当左导洞进洞后，围岩最大主应力减小，两侧壁出现压应力，顶部及导洞底部有拉应力产生；当右导洞进洞后右导洞两侧壁同样出现压应力，右侧壁压应力较大，洞顶及洞底出现拉应力，左洞侧壁压应力区明显。开挖面前方岩土体在卸载作用下的向洞内的位移使开挖面大部分区域出现拉应力。
（4）导洞开挖完成到二衬施作完成后，随着开挖的进行侧壁压应力逐渐增大，而拉应力变化不大。拱腰出现较大的压应力区，拱脚出现了较大的压应力，表明拱部围岩形成了具有一定承载能力的压力拱，部分荷载被承载拱分担，致使拱脚出现较大的压应力。
（5）二衬施作完成后，随着开挖的进行，洞顶及洞底进入了拉应力区，但拉应力数值变化不大；侧壁受压应力作用，表明承载拱分担着部分上部岩土的荷载。开挖卸载对围岩应力的释放效果明显。
参考文献：
[1] 张家维. 大跨度隧道塌方处理技术[J]. 铁道工程学报， 2007，（5）：86-94.
[2] 丁文其， 谢东武， 严宗雪等.动态监测及其在四车道公路隧道施工中的应用[J]. 地下空间与工程学报， 2007，3（1）： 118-123.
[3] 李建华. 导洞法施工引起地表与洞内开裂的原因及治理[J]. 现代隧道技术，2003，40（6）： 63-67.
[4] 杨新锐， 软土地区隧道开挖引起的地层变形研究[D]. 北京： 北京交通大学，2007.
[5] 闫楠. 青岛地铁暗挖车站合理埋深研究[D]. 青岛： 青岛理工大学， 2010.
【关键词】 大跨度；浅埋暗挖；围岩变形；地表沉降；数值模拟
1 引言
近年来，在中国交通建设领域涌现了很多大跨度隧道，如高速公路三车道或四车道隧道[1]、铁路客运专线隧道、铁路车站隧道以及地铁暗挖车站[2-3]等，这些隧道的开挖跨度多在15m以上，其中铁路三线车站隧道的开挖跨度在21m左右，高速公路四车道隧道跨度可达21～23m，隧道跨度增大必然使断面扩大，如某隧道开挖跨度21m，隧道断面达230m2。
对于大跨度的暗挖车站，通常将大断面分割成几个小洞室分部开挖，由于开挖多个导洞，地层多次被扰动会引起地层过大沉降，导洞断面不规则更加大了开挖引起的沉降[4]，所以在大跨度暗挖车站隧道施工时，如何控制沉降和及时完成支护封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系，减小地表的沉降，保证隧道工程的安全施工一直是隧道工程的研究热点问题。当城市地铁大跨度隧道工程所在地处于繁华市区，环境安全要求高，有必要进行深入研究。
目前国内大部分暗挖地铁车站均为第四系土层中（多数土质、砂卵石、沉积岩与变质岩地层中）、非爆破开挖，青岛土岩组合地层中浅埋或超浅埋大断面暗挖工程在国内外都少见[5]，施工难度和风险较大，无本工程类似经验。本文对青岛地区土岩组合——“上软下硬”地层大跨度浅埋暗挖车站的施工进行三维数值模拟研究，对车站在开挖过程中围岩的变形和应力状态进行分析，对现场施工作业具有一定的指导意义。
2 模型参数
采用Mohr-Coulomb模型模拟杂填土、粉质粘土与强风化花岗岩，采用Elastic模型模拟中风化和微风化花岗岩。使用Mohr-Coulumb模型总共需要5个参数，分别是弹性模量E，泊松比v，摩擦角φ，粘聚力c和剪胀角ψ。工程设计上的弹性模量取值往往根据地勘报告中的压缩模量Es，0.1-0.2来估计土体的变形模量。变形模量在地层上部可以取3-5倍的压缩模量，并且随着深度的增加压缩模量逐步的扩大。
采用Mohr-Coulumb模型除了土体的变形参数，还需要输入土体的强度参数。在不排水分析中，土的内摩擦角和粘聚力根据固结不排水三轴试验得到的有效强度参数取值。经过适当的简化，计算用参数采用地勘参数，如表1。
3 车站正洞开挖过程数值模拟分析
3.1 围岩变形分析
图1～5为开挖到二衬施做完成围岩变形竖向云图，6～10开挖到二衬施做完成围岩变形横向云图。
随着开挖的进行，开挖区域上部产生竖向沉降和横向位移，数量值逐渐增大，竖向沉降主要发生在开挖区域正上方，横向位移发生区域主要集中在开挖拱部及其斜上方。二衬施做完成后，模型竖向位移云图见图9，最大值为0.5mm，发生在拱顶。由以上横向位移云图可见，模型横向位移基本对称，最大值约0.17mm，发生在模型偏右侧。横向位移右侧（向左）较左侧大，左侧横向位移（向右）范围较大，这是因为左导洞超前开挖，右侧滞后开挖所致。
上图六条曲线分别是：左导洞进洞、右导洞进洞（左导洞超前18m）、中部岩柱开始开挖（滞后右导洞24m）、开挖形成全断面、拆撑和施做二衬等六个工序下开挖后的沿隧道轴线方向地表沉降曲线。地表沉降随着开挖的进行逐步增大，主要由中部岩柱的开挖导致，其后逐步趋于稳定，最大值约为0.4mm。
由图12可见，拱顶沉降主要由中部岩柱的开挖工况引起，最大沉降值约0.5mm，地表沉降值约为拱顶沉降值的80%。
由图13可见，左右导洞由于断面较小开挖引起的地表沉降较小。拱顶部位岩体的开挖所引起的地表沉降占总地表沉降的主要部分。但随着开挖面的移动，橫断面地表沉降发展趋于稳定。
3.2 围岩应力状态分析
图14～17为导洞开挖完成一个循环（6m）后最大、最小主应力云图，从图可以发现：
（1）当左导洞进洞后，由于开挖卸载，围岩最大主应力减小，两侧壁出现压应力，约700kPa，顶部及导洞底部有拉应力产生，约60kPa。
（2）当右导洞进洞后右导洞两侧壁同样出现压应力，右侧壁压应力较大，洞顶及洞底出现拉应力，约63kPa。左洞侧壁压应力区明显，约800kPa。开挖面前方岩土体在卸载作用下的向洞内的位移使开挖面大部分区域出现拉应力。
图18～21为导洞开挖完成到二衬施作完成后最大、最小主应力云图，从图可以发现：
（1）形成台阶状开挖断面后，拱顶和洞底拉应力区最大拉应力约63kPa；侧壁为压应力，约900kPa，可见随着开挖的进行侧壁压应力逐渐增大，而拉应力变化不大。拱腰出现较大的压应力区，尤其是右侧拱腰压应力区更为明显，拱脚出现了较大的压应力，约2.0Mpa，表明拱部围岩形成了具有一定承载能力的压力拱，部分荷载被承载拱分担，致使拱脚出现较大的压应力。
（2）二衬施作完成后岩土体的最大和最小主应力云图。随着开挖的进行，洞顶及洞底进入了拉应力区，但拉应力数值变化不大，最大约63kPa；侧壁受压应力作用，拱脚最大压应力达2.7MPa，表明承载拱分担着部分上部岩土的荷载。开挖卸载对围岩应力的释放效果明显。
4 结论
由三维数值模拟研究分析可以得到结论：
（1）随着开挖的进行，开挖区域上部产生竖向沉降和横向位移，数量值逐渐增大，竖向沉降主要发生在开挖区域正上方，横向位移发生区域主要集中在开挖拱部及其斜上方。二衬施作完成后，模型竖向最大位移发生在拱顶。模型横向位移基本对称，最大值发生在模型偏右侧。这是因为左导洞超前开挖，右侧滞后开挖所致。
（2）地表沉降、拱顶沉降随着开挖的进行逐步增大，主要由中部岩柱的开挖导致，其后逐步趋于稳定。
（3）导洞开挖完成一个循环后，可以发现：当左导洞进洞后，围岩最大主应力减小，两侧壁出现压应力，顶部及导洞底部有拉应力产生；当右导洞进洞后右导洞两侧壁同样出现压应力，右侧壁压应力较大，洞顶及洞底出现拉应力，左洞侧壁压应力区明显。开挖面前方岩土体在卸载作用下的向洞内的位移使开挖面大部分区域出现拉应力。
（4）导洞开挖完成到二衬施作完成后，随着开挖的进行侧壁压应力逐渐增大，而拉应力变化不大。拱腰出现较大的压应力区，拱脚出现了较大的压应力，表明拱部围岩形成了具有一定承载能力的压力拱，部分荷载被承载拱分担，致使拱脚出现较大的压应力。
（5）二衬施作完成后，随着开挖的进行，洞顶及洞底进入了拉应力区，但拉应力数值变化不大；侧壁受压应力作用，表明承载拱分担着部分上部岩土的荷载。开挖卸载对围岩应力的释放效果明显。
参考文献：
[1] 张家维. 大跨度隧道塌方处理技术[J]. 铁道工程学报， 2007，（5）：86-94.
[2] 丁文其， 谢东武， 严宗雪等.动态监测及其在四车道公路隧道施工中的应用[J]. 地下空间与工程学报， 2007，3（1）： 118-123.
[3] 李建华. 导洞法施工引起地表与洞内开裂的原因及治理[J]. 现代隧道技术，2003，40（6）： 63-67.
[4] 杨新锐， 软土地区隧道开挖引起的地层变形研究[D]. 北京： 北京交通大学，2007.
[5] 闫楠. 青岛地铁暗挖车站合理埋深研究[D]. 青岛： 青岛理工大学， 2010.