1. 引言
随着城市化的快速发展，我国城市轨道交通的建设规模与速度都快速增长[1]，尤其是位于西部的重庆，其运营轨道交通里程从2020年末至2022年末增加了约120 km，其建设速度位居全国前列。重庆地区地质条件较为复杂，重庆城区内软岩地层广泛存在，软岩大变形对重庆轨道交通建设来说是一项重大挑战[2]。
为解决软岩大变形问题，国内许多隧道采用了双层初期支护结构。如张德华[3]等依托阜川隧道工程，实施了三种双层初支方案的现场试验，结果显示在软岩大变形隧道中，双层初支能有效控制隧道变形，保证围岩稳定性，并提出采用二支紧跟一支分台阶施作的方案变形控制效果较好；李国良[4]等依托郑西高铁高桥隧道，研究了台阶法双层初期支护在大断面黄土隧道的力学特性，结果表明双层初期支护能有效控制浅埋以及下穿段大跨隧道拱部下沉及地表沉降；张俊儒[5]等研究了位于全风花岗岩层中采用双层初期支护的超大断面隧道中拆撑的安全性，得出了双层初期支护比单层初期支护在拆撑过程中的结构受力转换更加安全；杨利明等人的研究显示双层初支能使隧道竖向位移与水平位移最大减小19.70%、15.46%，有效保障隧道施工与长期运营的安全性[6]。
以上研究都证明双层初期支护对位于软岩大变形地区隧道的变形控制是有利的，但目前关于双层初期支护的研究大多集中于与台阶法的结合使用，有关双层初期支护与双侧壁导坑法结合的研究较少并且没有具体指出双层初支的受力关系。因此本文依托重庆18号线轨道交通工程某地铁车站工程，结合现场监控量测与数值模拟手段，分析了双层初期支护结构对软岩大变形地区超大断面开挖隧道的变形控制效果、机理和双层初支对围岩压力的承担比例，以期对类似工程提供一定参考。
2. 工程背景
2.1. 工程概况
某地铁车站是重庆18号线轨道交通工程的一座单拱暗挖地下车站枢纽，与既有轨道交通采用通道换乘。某地铁车站为14 m岛式站台车站，为单拱双层结构，采用复合式衬砌，隧道最大开挖宽度为26.02 m，开挖高度为22.26 m，开挖面积为492.84 m2，如图1所示。车站拱顶埋深19.65~40.38 m，覆岩深度9.08~37.36 m，车站上覆地层主要为素填土、⑤12中风化砂质泥岩。
车站下穿、侧穿高层建筑风险源为高层住宅A及商业B，高层住宅A小区为砼21/25 F框架结构，地表高层存在12.7 m高差，如图2所示。
隧道开挖区段岩体较为完整，不存在结构面，因此围岩不会产生结构变形，但由于岩性偏软及地下空间跨度偏大，围岩因地下空间施工会产生较明显的材料变形，因此采用双层初期支护结构进行变形控制，并研究其支护机理。
Figure 1. Schematic diagram of the cross-section of a certain subway station (unit: m)
图1. 某地铁车站横断面示意图(单位：m)
Figure 2. High-rise residential building A
图2. 高层住宅A
2.2. 隧道变形监测结果与分析
施工单位在施工现场对双层初支结构施工段选取了DK12 + 650作为监测断面。
2.2.1. 拱顶沉降
对于拱顶沉降，施工单位使用杆式位移计在离掌子面1 m、3 m和5 m处的3个测点进行了监测，如图3所示。位移时程曲线和位移变化速率时程曲线如图4所示。从图中可以看出距离掌子面越远，拱顶沉降越小；3个测点的拱顶沉降值在25天之后趋于稳定，25天后沉降速率几乎为0，3个点的沉降稳定值大致分别为12.5 mm、8.0 mm和6.2 mm。
Figure 3. On-site installation of rod-type displacement meters
图3. 现场杆式位移计安装
Figure 4. Time-history curve of vault settlement displacement
图4. 拱顶沉降位移时程曲线
2.2.2. 拱顶处接触压力
施工单位采用土压力盒监测拱顶处围岩–一次初支接触压力和一次初支–二次初支接触压力，现场安装如图5所示。
Figure 5. On-site installation diagram of pressure gauges
图5. 现场压力计安装图
拱顶处围岩–一次初支和一次初支–二次初支的接触压力时程曲线如图6所示。从图中可以看出接触压力随时间变化趋势与拱顶沉降变化趋势大体一致，在监测开始后20天趋于稳定，围岩–初支接触压力和双层初支接触压力最终稳定值大概在300 Kpa和120 KPa。围岩压力从一次初支传递到二次初支的压力从18%逐渐增加到了35%，即一次初支承担的围岩压力大致为二次初支的22%~54%，最终稳定时为54%。
Figure 6. Time-history curve of contact pressure
图6. 接触压力时程曲线
3. 数值模拟结果与分析
3.1. 模型建立与参数选择
模型采用数值模拟软件Midas GTS NX建立。考虑到隧道洞径的3~5倍为隧道开挖的主要影响范围，超出此边界后隧道开挖的影响较小，为尽可能减少边界效应，将模型左右和下部边界设定为距离隧道中心5倍洞径，上部边界为地表。隧道模型大小设置为262 m × 156 m × 150 m。两层初支和二次衬砌都采用实体单元模拟，初支和钢拱架的联合支护作用通过等效刚度模拟，考虑到一次初支在初支成环之前几乎不能承担围岩压力，故在一次初支成环之前将其材料设置为弹性模量为1的材料，后文中称其为无属性初支，成环之后将其更换为正常属性的初支材料。模型共划分192,544个单元，166,284个节点，满足计算精度要求，计算模型如图7所示。支护结构参数参照《铁路隧道设计规范》(TB 10003-2016)取值。围岩参数按地勘报告取值，如表1所示。
Figure 7. Numerical analysis model
图7. 数值分析模型
Table 1. Surrounding rock parameters
表1. 围岩参数
材料 |
重度/(kN·m/3) |
弹性模量/GPa |
黏聚力/kPa |
内摩擦角/(˚) |
泊松比 |
素填土 |
20.5 |
0.01 |
10 |
8 |
0.45 |
岩土层 |
25.5 |
1.3 |
648 |
33 |
0.37 |
3.2. 数值模拟步骤
根据实际工程，开挖方法采用双侧壁导坑法，具体开挖步骤如图8所示。下文将图中红色框内数字分别称作导洞1~导洞9。为减少对地面建筑物的影响，在远离建筑物的前50 m和后55 m开挖进尺为5 m，中间45 m开挖进尺为2.5 m。
(a) 施工步序横剖面 (b) 开挖步序平面图
Figure 8. Diagram of excavation steps
图8. 开挖步骤图
3.3. 数值模拟结果与分析
为了减小边界效应和体现地面建筑物影响，选择中间45 m两端断面和中间断面分析。分析断面与监测断面DK12 + 650的位置关系如图9所示。
Figure 9. Analysis section
图9. 分析断面
3.3.1. 拱顶沉降
图10和图11分别是三个断面拱顶沉降随施工步骤的变化和变化速率。由于数值分析软件可以在未开挖时就监测到施工后拱顶处原地层的位移，从图10中可以发现，在开挖到断面之前，拱顶处的原地层就已经发生位移，在掌子面离断面较远时，拱顶处会出现微小的隆起(小于0.5 mm)，这些隆起是由于已经开挖处地层的向下的沉降作用引起的；同时还可以发现，断面距离始发断面越远，拱顶沉降最终稳定值也在变大。
图11表明，各断面拱顶沉降的变化趋势几乎相同。导洞1开挖之后，各断面的拱顶沉降速率均出现快速增加的情况，在开挖导洞5、6时，沉降速率增加最快，沉降增加值也最高，这表明使用双侧壁导坑法施工时，应格外注意这两开挖步时的安全状态。当初支成环时，即使没有将一次初支考虑到受力体系中，拱顶沉降的增加速率与增加值都出现了减小的现象；而当将一次初支考虑进受力体系后(即图10和图11中更换一次初支属性后)，虽然断面导洞8、9仍然在依次开挖，但拱顶沉降增加速率和增加值都出现大幅的减小，这表明双层初支能有效控制拱顶沉降的发展。从图8中还可以发现，断面1和断面2的拱顶沉降变化速率与具体数值几乎完全一样，而断面3则明显大于断面1和断面2，该原因可能有两点：1) 因为断面1与断面2之后的开挖进尺均为2.5 m，而断面3后的开挖进尺为5 m；2) 各断面的埋深不同，断面1和断面2处为浅埋段，断面3处为深埋段，断面2距深埋段距离仅2.5 m，断面1处为25 m。
从图9中可以发现监测断面DK12 + 650的位置与断面2最接近，处于断面2后5 m处位置。由于施工监测数据只能从断面成环之后开始监测，图4中监测数据与图10中更换初支属性后的数据大致对应。对比图4中监测数据和图10中断面2数据可以发现，图4中距离掌子面1 m点的数据较为吻合。
Figure 10. Vault settlements of each section
图10. 各断面拱顶沉降
Figure 11. Vault settlement rates of each section
图11. 各断面拱顶沉降速率
3.3.2. 初支受力分析
图12和图13分别是初支拱顶处最大主应力和二次初支间拱顶处最大主应力随施工步骤的变化图，图12中在初支成环前存在的初支拱顶处最大主应力是原来地层地应力；图14和图15是不同阶段三个断面处一次初支整体所受最大主应力云图。从图14中可以看出在初支刚成环时，初支拱顶处最大主应力与原地应力相比变化不大；这一点从图14中也可以发现，在初支刚成环时，弹性模量为1的一次初支所受最大主应力值大约在10−6~10−5 Kpa范围内，可以忽略不计一次，说明此时围岩压力几乎全部由二次初支承担。而在更换初支属性，双层初支结构起作用后，从图13可以看出，二次初支所受主应力出现了一定程度的减小。单层初支研究表明初支成环后，在地层变化不大的情况下初支受力会逐渐上升直至稳定[7] [8]，此处二次初支主应力的减小，表明一次初支承担起了相当程度的围岩压力。
Figure 12. Maximum principal stress at the vault of the primary support
图12. 初支拱顶处最大主应力
Figure 13. Maximum principal stress at the vault of the secondary lining
图13. 二次初支拱顶处最大主应力
此外从图12和图13中可以看出，在更换初支属性后到主应力大小基本稳定时，二次初支承担比例逐渐上升，断面1二次初支拱顶处主应力大小从一次初支间主应力大小的29%上升至78%，断面2从28%上升至47%，这一数据与监测数据大致吻合，断面3则是从6%上升至19%。三个断面二次初支承担比例的不同，可能是因为隧道开挖进尺和埋深并不是完全一致的，断面1后一开始是2.5 m进尺开挖，45 m后开始5 m进尺开挖，其后25 m处开始为深埋段；断面2后一开始也是2.5 m进尺开挖，22.5 m后开始5 m进尺开挖，其后2.5 m处开始为深埋段；而断面3之后则是一直5 m进尺开挖，其后一直为深埋段。这可能说明开挖进尺越大、埋深越大，双层初支结构中的二次初支承担围岩压力比例越低，这一点需要进一步研究。
Figure 14. Maximum principal stress of the primary support when the primary support forms a ring
图14. 初支成环时一次初支最大主应力
Figure 15. Maximum principal stress of the primary support when replacing its properties
图15. 更换一次初支属性时一次初支最大主应力
3.3.3. 地表建筑物沉降
建筑物与隧道空间位置关系如图16所示，图中位于隧道左侧较高的建筑物为高层住宅A，位于隧道右侧较矮的建筑物为商业B。
图17为高层住宅A和商业B的最终沉降值，其中负值表示向下位移，正值表示向上位移。从图中可以看出两个建筑物靠近隧道的一次都发生了向下的位移，高层住宅A位移最大值为6.10 mm，商业B为2.74 mm；而远离隧道的一侧则发生了向上的位移，高层住宅A位移最大值为2.01 mm，商业B为0.16 mm。高层住宅A和商业B的倾斜最大值分别为0.00018和0.000088都小于0.002的限值，符合安全要求。
提取两座建筑物竖向位移最大点进行分析，如图18所示。从图18中可以看出，在开挖区域距离建筑物较远时建筑物首先发生向上的位移，当开挖区域靠近建筑物时，才开始出现向下的位移，高层住宅A在导洞1开挖至距离建筑物12.5 m时开始发生向下位移，商业B则是在导洞1开挖至距离建筑物17.5 m时开始发生向下位移，整体沉降在导洞1开挖完成后逐渐稳定。
(a) 建筑物与隧道平面位置关系
(b) 建筑物与隧道横断面位置关系
Figure 16. Spatial position relationship between buildings and tunnels
图16. 建筑物与隧道空间位置关系
(a) 高层住宅A最终位移情况 (b) 商业B最终位移情况
Figure 17. Final settlement values of high-rise buildings
图17. 高层建筑物最终沉降值
Figure 18. Variation of settlement values with construction steps
图18. 沉降值随施工步骤的变化
4. 结论
论文使用数值模拟分析了采用双层初支结构时，位于软岩大变形地层中特大断面隧道使用双侧壁导坑法开挖过程中的拱顶沉降、初支在不同阶段所受最大主应力的变化以及其下穿建筑物的沉降变形进行了分析，得出了以下结论：
(1) 双层初支结构能有效控制围岩的拱顶沉降。但在双层初支成环前，尤其是开挖导洞5与导洞6时，拱顶沉降发展尤为迅速，在这一期间应当考虑增强支护结构以及监控量测。
(2) 双层初支联合作用时，能承担更多的围岩压力。二次初支承担比例会随施工步数(时间)不断增加直至稳定，二次初支承担比例可能和开挖进尺和埋深有关，开挖进尺越长、埋深越大，二次初支承担比例越低。因此建议在使用双层初支时，一次初支的厚度应大于二次初支厚度。
(3) 当开挖区域距离建筑物较远时，建筑物会出现随土体发生向上的位移，当开挖区域靠近建筑物一定距离时才会发生向下的沉降，这个距离与建筑物的高度有关，建筑物越高，该距离越短。