重庆轨道交通6号线TBM施工围岩稳定性数值模拟分析
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摘要：重庆轨道交通六号线拟采用敞开式TBM施工。因施工工艺，初期支护滞后于TBM掘进，且二次衬砌需在掘进全部完成后进行，滞后时间较长。因此，在可行性研究阶段需要对围岩稳定性进行分析。通过选取代表性岩层进行数值模拟分析，得出围岩应力和地表沉降均满足要求，确定了采用敞开式TBM施工的可行性。
关键词：TBM，数值模拟，可行性研究，
Abstract: ChongQing Metro Line 6 plans to use the open TBM construction. Due to the construction process, the initial support lags behind the TBM boring. And the construction of the secondary lining is need to behind all the boring completed, the lag time is longer. So we need to analyze the stability of surrounding rock in the feasibility study stage. By selecting the representative rock to do the numerical simulation analysis, the result of surrounding rock stress and surface subsidence meet the requirements, we sure that using open TBM is feasible.
Key words: TBM, Numerical Simulation, Feasibility study
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1 概述
重庆轨道交通六号线为“基本线网”中西北方向到东南方向的直径线，纵贯核心城区和中央CBD，为联系南岸区、渝中区和江北区、北部新区、北碚区。其中六号线一期工程五里店站～竹林公园站段，约12Km，拟采用敞开式TBM施工。由于敞开式TBM的施工工艺，初期支护滞后于掘进，且二次衬砌需在掘进全部完成后进行，滞后时间较长，因此，在可行性研究阶段需要对围岩稳定性进行分析，以判断能否满足掘进要求。
图1 轨道交通六号线五里店——竹林公园站位置示意图
2 水文地质概况
沿线地层结构简单，由第四系全新统松散土层，侏罗系中统上、下沙溪庙组，三叠系上统须家河组、中统雷口坡组组成。线路埋深在10～50米之间，绝大多数地段穿越侏罗系中统上、下沙溪庙组，砂岩与砂质泥岩呈不等厚互层状，岩体裂隙不发育～较发育，呈厚层状～巨厚层状结构。沿线地下水一为赋存于松散层中的孔隙潜水；二是赋存于基岩风化层中的裂隙水，地下水不发育，调查中未发现大的不良地质构造。在建立数值分析模型时，选择沿线具有普遍性和代表性的Ⅳ级围岩进行分析。
表1 围岩参数取值表
3 数值模拟分析
3.1 使用MIDAS模拟原理
本次模拟分析采用MIDAS有限元软件。基本思路为：根据实际尺寸建立好模型，赋予模型中各个参数的属性和特征，使其有效的模拟实际结构中的相应部分；在开挖过程中，利用有限元软件的单元生和死的功能激活和杀死单元，以此来实现围岩的开挖，循环该操作即可实现全隧道的开挖；通过软件的后处理功能可以得出在隧道的开挖过程中，围岩的位移、应力以及初支结构所受的内力，根据地表各点的沉降量可以得出随着隧道的开挖地表的沉降曲线。
3.2 模型建立
数值模拟模型建立以六号线为基础，边界条件选取具有代表性的Ⅳ级围岩，模拟在20m长度范围内，使用两台敞开式TBM施工，分析TBM开挖后围岩的稳定性。两洞净间距按7m考虑，地表荷载为25Kpa。掘进步骤为，第一步，左右洞未掘进；第二步，左洞TBM掘进10m，右洞TBM准备掘进；第三步，左洞TBM掘进完成，右洞TBM掘进10m；第四步，左右洞全部掘进完成。
图2 计算模型
3.3 模拟计算结果
(1)第一步，围岩处于初始应力状态
从应力图可以看出，周围岩体初始应力主要以压应力为主。最大压应力为670.8kPa。
图3隧道周围岩体初始应力（σZ）
（2）第二步，左洞开挖10m,右洞未开挖。从应力图可以看出，周围岩体主要以压应力为主，最大压应力为695kPa，地面最大沉降为0.613mm。
图4 隧道周围岩体竖向位移（σZ） 图5 隧道周围岩体竖向应力（σZ）
图6隧道周围岩体大主应力（σ1） 图7 隧道周围岩体小主应力（σ3）
（3）第三步，左洞开挖20m，右洞开挖10m。从应力图可以看出，周围岩体主要以压应力为主，最大压应力为691kPa。地面最大沉降为0.822mm。
图8 隧道周围岩体竖向位移（σZ） 图9 隧道周围岩体竖向应力（σZ）
图10隧道周围岩体大主应力（σ1） 图11隧道周围岩体小主应力（σ3）
（4）第四步，左洞开挖20m，右洞开挖20m。从应力图可以看出，周围岩体主要以压应力为主，最大压应力为686kPa，地面最大沉降为0.922mm。
图12 隧道周围岩体竖向位移（σZ）图13隧道周围岩体竖向应力（σZ）
图14 隧道周围岩体大主应力（σ1） 图15 隧道周围岩体小主应力（σ3）
4结论
(1)通过计算可以看出，围岩应力主要以压应力为主，随着TBM开挖，压应力逐渐增大，在第二步时达到最大值695kPa，随后逐渐降低。总的来说，围岩应力值和变化值不大，左右洞施工相互影响较小，掘进后，围岩具有较强的自稳能力。
(2) 通过计算可以看出，地面沉降随着开挖逐渐增加，到第四步即掘进完成达到最大值0.922mm，总的来说地表沉降值较小，说明掘进对地表影响不大。
（3）通过三维动态模拟分析可知：隧道开挖后周围岩体成拱效应较好，周围岩体处于稳定状态，后期通过初期支护可以有效的防止岩石蠕变，可以采用TBM施工。
参考文献：
苏明辉； 张朋；重庆地铁6号线隧道掘进机选型【J】. 都市快轨交通，2009（02）：80-82.
苏明辉； 张朋；重庆地铁岩石隧道掘进机过站施工方案【J】. 都市快轨交通，2008（05）：64-66.
刘长祥； 吕常新；三车道大断面高速公路隧道稳定性数值模拟【J】,地下空间与工程学报，2007（04）：688-693