沈阳地铁一号线13标段隧道加固与数值模拟研究
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摘要：沈阳地铁一号线13标段，隧道建设期间，在埋深12m处，遇到一种低强度软岩，围岩极不稳定，对施工安全和进度造成很大影响。通过隧道变形监测，以及ADINA数值模拟验算，来确保施工安全。
Abstract: During the tunnel construction of 13th section of Shenyang metro line one, in the 12m of burial depth, a low strength soft rock is came across and surrounding rock is not stable, which has a great impact on construction safety and process. Through the tunnel deformation monitoring, as well as numerical simulation ADINA checking, construction safety is ensured.
关键词：软岩；数值模拟；变形监测
Key words: soft rock; numerical simulation; deformation monitoring
中图分类号：U23 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）12-0147-01
0 引言
在隧道施工过程中，由于岩体的天然应力平衡状态遭到破坏，引起隧道周围岩体的卸荷回弹应力和重分布应力，当这种回弹应力和重分布应力超过围岩强度所能承受的范围时，将造成工程岩体的失稳破坏，给隧道施工和运营带来危害。
1 沈阳地铁一号线13标段隧道数值计算
本次计算使用有限元模拟软件ADINA，采用地层－结构模型，按照平面应变处理，主要分析隧道开挖掘进之后围岩的应力分布和变形情况，钢支架和混凝土喷层联合支护结构的变化情况，分析判断出支护结构是否和围岩变形耦合，工作状态是否满足支护的强度和刚度要求。
隧道开挖的影响范围一般是5D（D是隧道跨度或隧道直径）。这里隧道跨度大约为12m，隧道开挖的影响范围是60m。因此模型的上方和左右方各取60m，下方取80m。所以本模型尺寸为宽×高=60m×80m。
模型边界采用齐次边界条件，上部边界取为自由面，下部边界取为固定边界，左右边界岩体沿x方向的位移被约束。
岩体材料和钢支架下方的混凝土基础墩采用实体单元，钢支架采用梁单元，混凝土喷层采用衬砌单元模拟。地层和结构单元特性参数见表1。
围岩顶板下沉变形5.657cm，超过预留的5cm，可以做适当调整；两帮挤入变形3.435mm，在预留的5cm变形量以内，底板隆起变形1.346cm，可以对底板进行处理。
在比较接近实际的钢支架与围岩存在空隙的工况下，围岩的变形量基本都在预留的5cm变形量以内，支护结构的安全系数分别为6.82和2.00，说明支护结构满足刚度和强度要求。
2 沈阳地铁一号线13标段隧道变形监测
隧道围岩活动的主要表现是顶板离层，下沉，冒落，两帮片帮，滑移，底板鼓起等。特别是锚杆支护隧道活动状况的隐蔽性，其破坏失稳一般没有明显的预兆，不易被人们察觉，破坏往往具有突发性。隧道顶板一旦发生冒顶，并且多数情况下规模较大，其危害性较为严重，隧道两帮的失稳造成两帮大面积滑落，也易于诱使顶板冒落。
沈阳地铁一号线13标段测量数据。断面位置以2号点为起点，向前1852.4m。顶板为泥岩，进入拱形断面位置，局部出现碎顶、片帮现象。断面形式为拱形断面，渗水现象严重，加设了钢架支护。
YS（B）钻孔窥视仪在隧道顶板小孔径钻孔中可用于岩层识别以及裂隙观察。使用YS（B）钻孔窥视仪在隧道进行钻孔观测，在钻孔观测中发现，由于渗水严重，顶板及周围软岩层已经变成泥层，所及对支护密封要求较高。又因为软岩层变化为泥浆层，所以钻孔深度没有达到很深，大概8m左右，所以没有更深入的观察内部情况。在观测成果图片中，可以清楚的看到岩层裂隙的位置与岩层界面的情况，便于现场施工人员及时了解围岩情况。
3 结论
本文根据工程地质现场调查和长期围岩变形监测，结合已建隧道的施工记录及监测数据，应用ADINA有限元软件，分析了沈阳地铁一号线13标段隧道围岩应力变形和支护结构受力，得出的主要结论有：
①沈阳地铁一号线13标段围岩情况大体良好，但低强度易风化软岩段区域掘进条件恶劣，支护难度大，应采取密切的离层观测；②数值模拟验算表明支架与围岩应紧密接触，使得支架与混凝土喷层同步工作，支架承受较大弯矩，喷层承受较大轴力；③沈阳地铁一号线13标段的监测曲线说明：隧道支护满足强度和刚度要求；隧道开挖后顶板最先变形且变形程度最大，其后是两帮，最后是底板，监测数据显示隧道稳定是在25～30d。
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