1. 引言
随着时代的发展及隧道和地下工程技术的不断进步，城市地下空间的开发和利用得到了充分的发展，由于地质条件的复杂性，一些地下(隧道)工程不得不修建在倾斜的层状中。由于地层的倾角较大，加之节理裂隙的影响，地下工程的开挖往往引起倾斜岩层向临空侧滑动。为了及时分析地下工程围岩的稳定性，采用数值模拟分析是非常必要的。岩石地层中的地铁车站施工多采用双侧壁导坑法。刘伟伟以地铁大断面隧道为背景，利用有限元对双侧壁导坑法施工诱发的地面沉陷及隧道本身的变形规律进行了研究 [1] ；黄木田等应用有限元方法对重庆地铁暗挖车站双侧壁导坑法施工核心土直立开挖安全宽度进行了研究 [2] ；张玉兰等结合青岛地铁车站对双侧壁导坑法施工步序、工法优化、初支及二次衬砌施工技术进行了研究 [3] ；崔振东以重庆轨道交通上桥车站为例，对双侧导洞先行贯通、中隔墙后续开挖的双侧壁导坑工法进行了研究，形成了临时中隔墙岩柱开挖的施工关键技术 [4] ；黄木田等对深埋大断面地铁车站双侧壁导坑核心岩直立开挖施工技术进行了研究，验证了深埋大断面地铁车站双侧壁导坑法核心岩直立开挖技术的合理性和安全性 [5] ；钟良健等对陡倾岩层深埋地铁车站双侧壁导坑法和台阶法2种施工方法进行了对比分析，认为采用双侧壁导坑法比台阶法更有利于车站围岩的稳定，但其围岩应力、位移、初期支护结构轴力等相差较小，两种开挖方法均能满足车站围岩稳定性的要求 [6] 。工程实践中也发现深埋地铁车站局部地段有采用3台阶法施工的案例。本文以重庆某陡倾岩层深埋地铁车站为例，采用有限元数值模拟方法，从围岩变形特征、应力特征及塑性区分布特征三方面，对车站开挖过程中的力学行为进行深入的研究。该地铁车站围岩岩层倾角约为60˚，为陡倾角岩层，围岩级别为IV级，施工过程对围岩的变形与破坏影响大。
2. 计算模型的建立
2.1. 模型范围及边界条件
地铁车站三维模型的长度取40 m，宽度取144 m，在车站两侧各取约2.5倍跨度，模型底边界取2倍洞高，顶面取至地表。有限元模型地表为自由边界，底部采用固定约束，其余各面施加法向约束。三维模型中围岩采用四面体实体单元，锚杆采用GTX NX提供的桁架单元，喷射混凝土采用平面板单元。围岩材料采用莫尔–库伦屈服准则。锚杆和喷射混凝土可将其视为弹性体，初始地应力由岩体自重计算求得。在模型的格划分时，车站隧道周边和软弱夹层网格密，经过有限元网格划分，整个三维模型共有单元172,809个，节点32,701个。有限元模型见图1。
Figure 1. Finite element analysis model
图1. 有限元分析模型
2.2. 计算参数
根据实际工程的地勘资料和同地区类似工程的地勘资料，地铁车站围岩力学参数及支护参数如表1所列。
Table 1. Surrounding rock and initial support parameters of metro station
表1. 地铁车站围岩及初期支护参数
注：喷射混凝土为C25厚350 mm；锚杆直径25.0 mm，环向间距1.0 m。
2.3. 施工过程控制
根据工程施工现场调研，结合数值模拟实际，从偏于不安全的角度考虑，车站分部开挖的短台阶长度取为8.0 m，施工进尺取2.0 m。车站相邻的上、中、下台阶间隔4个施工步(8.0 m)，每开挖一个台阶后及时进行初期支护，依次循环。有限元分析模型共122个施工步，地铁车站施工步序如图2。
Figure 2. Schematic diagram of excavation step of station
图2. 车站开挖步序示意图
3. 计算结果分析
为了合理地分析地铁车站的围岩应力及变形特征，选取模型纵向中间断面作为研究对象，在研究断面选取拱顶、拱底、两侧拱肩和拱腰以及两侧拱脚8个代表点进行分析。选取的断面及特征点如图3~图4。
3.1. 围岩变形位移
地铁车站(分析模型)开挖完成后，车站围岩X、Y、Z方向合位移矢量云图如图5。
由图5可以看出，车站围岩的合位移呈拱顶下沉、底板隆起、两侧向内收敛的变化特征，其中拱顶最大下沉位移为8.80 mm，底板隆起最大位移为15.30 mm，左侧边墙水平最大位移9.27 mm，右侧边墙水平最大位移5.13 mm。从合位移矢量方向变化可以看出，车站围岩整体向内收缩，受地层陡倾角的影响，在左侧拱肩顺岩层倾向的位移方向有明显平行于岩层层面的趋势，右侧反倾向的位移方向则有垂直于岩层层面的趋势。其中车站左侧边墙位移明显比右侧边墙位移变化大，车站围岩的变形表现出了明显的非对称性。
Figure 5. Vector map of complex displacement of surrounding rock of station
图5. 车站围岩合位移矢量图
3.2. 围岩应力特征
1) 围岩最小主应力(P1)
地铁车站(分析模型)开挖完成后，车站围岩最小主应力云图及受拉塑性区范围如图6~图7所示。
由图6可以看出，围岩最小主应力基本为压应力，在边墙底部及开挖进尺接触带局部出现拉应力，压应力最大值为2.86 MPa，拉应力最大值为0.43 MPa，在车站的左、右拱脚处出现了明显的应力集中现象。拉应力出现在地铁车站左、右拱腰处，左侧拱腰拉应力区范围明显大于右侧。
由图7可以看出，① 在地表局部出现了拉应力，这与地表土层局部有裂缝的现象是一致的。② 在车站右侧拱腰局部出现了拉应力，这与车站右侧砂岩岩层有关，砂岩的抗压强度和抗拉强度大于砂质泥岩，在砂岩层发生了应力集中现象；③ 在车站左侧拱腰位置拉应力较右侧明显，这与左侧的顺层岩层陡倾角有关，在左侧拱腰可能出现局部掉块、坍塌现象。施工过程中，车站左侧收敛位移较大，施工单位及时采取了支护加强措施，控制住了围岩的进一步变形。这同时也验证了施工过程有限元数值分析结果的合理性和正确性。
Figure 6. Minimum principal stress nephogram
图6. 最小主应力云图
Figure 7. Schematic map of surrounding rock and surface tension zone
图7. 围岩及地表受拉区示意图
2) 围岩最大主应力(P3)
地铁车站(分析模型)开挖完成后，车站围岩最大主应力云图如图8所示。
Figure 8. Maximum principal stress nephogram
图8. 最大主应力云图
可以看出，车站围岩最大主应力(P3)均为压应力，在车站左、右两侧拱脚围岩出现了明显的应力集中现象，最大主应力最大值为7.23 MPa，位于车站左侧拱脚处，小于砂质泥岩的抗压强度，不会引起围岩的屈服破坏。车站左、右两侧拱腰处的最大主应力也有明显的不对称性，左侧大于右侧，左侧最大主应力为3.30 MPa，右侧最大主应力为2.1 MPa，这也与该车站陡倾角地层有关。
3.3. 隧道洞周塑性区分布特征
隧道开挖完成后，围岩塑性区分布图如图9所示。
由图9可以看出，车站围岩塑性区主要分布在车站左、右拱脚及左侧拱腰，但塑性区整体没有贯通。① 车站左、右侧拱脚塑性区沿车站纵向断续分布，左侧最大影响半径为4.0 m，右侧最大影响半径为4.30 m；② 左、右侧拱肩塑性区的最大影响半径分别为3.90 m和2.90 m；③ 车站左侧拱腰塑性区的分布范围最大，最大影响半径为5.30 m，但基本都在锚杆长度控制范围之内。同样可以看出，车站围岩塑性区的分布范围和最大影响半径也表现出了明显的非对称性，车站左侧塑性区分布范围和最大影响半径明显大于右侧，这同样与左侧为顺层结构面(岩层层面)、右侧为反倾结构面(岩层层面)有关。
Figure 9. Characteristics of plastic zone of surrounding rock
图9. 围岩塑性区特征
4. 结论
1) 地铁车站(模型)开挖完成后，车站左侧边墙位移明显比右侧边墙位移大，围岩变形表现出明显的非对称性，围岩变形受结构面(岩层层面)控制明显。
2) 车站围岩最小主应力以压应力为主，局部出现了拉应力，其分部范围和大小也与岩层倾角有关。左侧的最小主应力(压应力和拉应力)值大于右侧，这与车站施工过程中在左侧拱腰位移较大且局部出现掉块现象是一致的。
3) 车站围岩的最大主应力均为压应力，左侧大于右侧，在两侧拱腰表现出明显的不对称性，也与该车站围岩陡倾角岩层有关。
4) 车站左右侧围岩塑性区的分布范围和最大影响半径也表现出了明显的非对称性，左侧大于右侧，同样与左侧为顺层结构面、右侧为反倾结构面有关。
5) 在山地城市暗挖地下车站施工中，要注意岩层层面或主要结构面倾角对围岩变形、应力及塑性区的影响，加强顺倾侧的监测和支护。
NOTES
*通讯作者。