管幕凍結法淺埋大斷面隧道開挖方案對襯砌性態及地層位移的影響

張冬梅，張博愷，劉志剛

（1.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；2.同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系，上海 200092；3.港珠澳大橋珠海連接線管理中心，廣東珠海 519030）

管幕凍結法淺埋大斷面隧道開挖方案對襯砌性態及地層位移的影響

張冬梅1，2，張博愷2，劉志剛3

（1.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；2.同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系，上海 200092；3.港珠澳大橋珠海連接線管理中心，廣東珠海 519030）

經驗表明，在軟土、淺埋大斷面隧道開挖方案中，加固方式對襯砌結構受力、隧道收斂變形和地層位移影響顯著。港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道具有隧道埋深淺、結構斷面尺寸大、地質條件差、地理位置政治敏感性強等特點。以該隧道為背景，利用數值模擬方法，分析大直徑鋼管管幕凍結法施工和隧道開挖方案對襯砌結構受力和地層變形的影響。經分析發現：不同開挖方案對襯砌受力、變形和地層位移的影響顯著；在分臺階開挖過程中，臺階越小，引起的襯砌受力、隧道收斂變形和地層位移越小；管幕凍結對改善襯砌受力和地層位移效果顯著，根據管幕凍土受力特性對其關鍵受力部位提出建議。

有限元分析；淺埋大斷面隧道開挖方案；管幕凍土圈支護；隧道性態；隧道地層位移；土體塑性區

0 引言

為改善交通環境，加速快捷交通發展，在城市環境敏感或者跨越河流區域，淺埋、大斷面、短距離隧道日益增多。考慮到盾構施工方法在短距離、大斷面隧道施工經濟性上的不利因素，暗挖法成為一種可行的施工方法。在城市人流密集區等敏感區域進行施工時，周邊環境敏感性強，對施工工法控制要求高［1］，通常為控制環境變形與保障施工安全，針對大斷面隧道礦山暗挖法施工，采用有效的超前支護方法顯得尤為重要［2］。管幕法作為地下工程施工的一種輔助工法，對于埋深淺、斷面大、地質條件復雜的地下工程，具有對周邊環境擾動小、適用于多種地層等其他施工方法無可比擬的優點［3-7］。對于暗挖法，不同的施工方法對周邊的環境與結構自身受力影響差異較大［8-13］，由此可見，埋深淺、斷面大、管幕群支護效果與暗挖法施工方法對環境的影響成為控制施工成敗的關鍵。論文以港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道為背景，由于隧道開挖斷面大、埋深淺、環境敏感，為了控制隧道施工對環境的影響，拱北隧道施工采用在大直徑鋼管管幕凍土圈支護下的暗挖法施工。大直徑鋼管管幕凍土施工方法在隧道施工中的應用還不多見，其對隧道施工安全的影響程度也不明確。為此，本文以該隧道為背景，以保證淺埋、大斷面隧道結構受力安全和減小環境影響為目標，針對隧道管幕凍結圈支護作用效果以及不同隧道開挖方法進行對比分析，以優化隧道施工，減小隧道施工對環境的影響。

1 工程背景

1.1 工程概況

拱北隧道是港珠澳大橋項目珠海連接線的關鍵控制工程，隧道穿越拱北口岸，拱北口岸段人流、車流巨大，減小隧道施工的環境影響和保證隧道的安全施工意義重大。經綜合對比研究，拱北隧道口岸段隧道施工采用在管幕群支護作用下的雙層暗挖法施工［14］，管幕間土體采用凍結法進行止水［15］。拱北隧道口岸段主體結構如圖1所示，最大開挖跨度18.9 m，最大開挖高度20.6 m。管幕群由36根φ1 620 mm鋼管構成，每根鋼管壁厚24 mm，凍土圈設計厚度為200 mm，管幕凍土圈位置關系詳見圖2。

圖1 隧道結構斷面示意圖（單位：m）Fig.1 Cross-section of Gongbei tunnel（m）

圖2 隧道管幕凍結區域示意圖Fig.2 Pipe-roofing and frozen soil of Gongbei tunnel

1.2 工程地質

拱北隧道區間主要地層及分布如下：填筑土①層，厚度一般為4～8 m，最大厚度（在拱北口岸區）約為11 m；淤泥及淤泥質土③1層，一般厚度為1.1～6 m；黏性土③2層，最大厚度約為6.0 m；粗、礫砂③3層，厚度不均，揭示最大厚度為7.0 m；淤泥質土④1層，僅局部存在；礫砂④2層，最大厚度約為11.5 m，最小厚度約為1.6 m，埋藏深度一般為17 m以下；粉質黏土④3層，最大厚度3.8 m；砂質黏性土⑤1層，最大厚度近7.0 m；全風化花崗巖⑥1層，厚度一般為3～8 m；強風化花崗巖⑥2層，最大厚度為15.9 m。隧道開挖部分基本處于③1和③3層的軟弱及中軟土之間［14］。拱北隧道口岸段地質縱斷面如圖3所示。

圖3 拱北隧道口岸段地質縱斷面示意圖Fig.3 Geological profile of Gongbei Tunnel

1.3 擬開挖方案

由于隧道開挖沿線穿越流塑淤泥質土層，地下水位高，土體受擾動后易變形，且沿線地理位置特殊，環境控制要求高。針對工程施工難易程度、周圍環境控制要求與結構自身安全條件，提出以下4種開挖方案：五臺階十五步開挖；四臺階八步開挖；五臺階十步開挖1；五臺階十步開挖2。為方便表述，后文中分別以方案1、方案2、方案3、方案4表示，4種方案施工順序如表1和圖4所示（隧道內部為臨時支撐布設情況）。

表1 隧道施工擬開挖方案Table 1 Four potential excavation procedures

圖4 4種方案施工順序Fig.4 Schematic diagram of four potential excavation procedures

2 數值模擬

針對上述4種開挖施工方案，采用MidasGTS分析不同開挖方案對襯砌受力、變形和環境的影響。數值計算模型長200 m，寬43 m，隧道拱頂埋深為6.8 m，在模型左右兩側及底部設置固定約束，模型網格概況見圖5。

圖5 模型網格圖（單位：m）Fig.5 FEM mesh（m）

在數值模擬中，為盡量精細地對施工過程進行模擬，分別對初期支護、二次襯砌、臨時支撐、管幕采用梁單元進行模擬。在計算過程中，凍土區域、主體結構、管幕內部土體（混凝土填充）及周圍土體采用平面應變單元進行模擬。

依據現場情況，將土體簡化為3層進行建模，在數值計算中，土體本構模型采用修正摩爾-庫侖模型，修正摩爾-庫侖模型與常用的HS模型［16-17］十分相似，采用不同的加載、卸載模量可以更好地反映土體卸載變形特性，土體參數依據現場地勘報告取值，具體數值如表2所示。其余部分采用彈性本構模型進行模擬。

隧道開挖屬于三維問題，在本文中，將其簡化為二維問題進行數值模擬，為提高數值模擬的合理性，對各個開挖區域設置了相應的荷載釋放系數，依據經驗及模擬過程中的試算，最終選取荷載釋放系數：土體開挖步設為0.05，添加初期支護步設為0.25，添加二次襯砌步設為0.3，初期支護、二次襯砌共同受力作用步設為0.4。各方案支護結構參數如表3所示。

表2 土體參數表Table 2 Soil parameters for numerical model

表3 各方案支護結構參數表Table 3 Parameters of tunnel lining and temporary support

3 施工方法的影響

不同開挖方案對隧道施工過程中的襯砌受力、隧道變形和地層影響不同。本文采用地表沉降槽表達隧道施工對地層的影響，并考慮隧道施工引起的周邊地層塑性區的發展，以此預測隧道施工對周邊環境的影響［18］。襯砌結構受力包括襯砌最大彎矩、襯砌最大軸力、臨時支撐軸力，隧道變形以拱頂位移來表示，其中，襯砌最大彎矩、軸力由初期支護、二次襯砌共同承擔。

3.1 地表沉降槽與拱頂位移

各方案地表沉降槽曲線如圖6所示，方案1地表沉降槽最大沉降值為28 mm；方案2在開挖過程中地表沉降槽最大沉降值為35 mm，與方案1相比增幅25%；方案3地表最大沉降值為47 mm，與方案1相比增幅67.8%；方案4地表最大沉降值為41 mm，與方案1相比增幅46.4%。當開挖完成后，方案1拱頂位移為26.8 mm，方案2拱頂位移為19.2 mm，方案3拱頂位移為39.4 mm，方案4拱頂位移為20.5 mm。由于拱北隧道位置特殊性與周邊環境的高敏感性，本文選取地表沉降值大于1 mm區域為沉降槽范圍：方案1沉降槽寬度為154 m，方案2沉降槽寬度為164 m，方案3沉降槽寬度為154 m，方案4沉降槽寬度為161 m。由此表明，開挖順序、開挖分塊大小、支護條件均對地表位移、拱頂位移與地表沉降槽寬度有較大影響。

圖6 各方案地表沉降槽曲線Fig.6 Effect of excavation procedures on ground surface

3.2 土體塑性區

不同開挖方案施工完成時所形成的隧道周圍的塑性區為圖7中黑色區域所示。在4種方案中，下半部隧道拱腳處塑性區范圍較大，表明該處土體受隧道施工影響最為顯著，凍土區域外土體受擾動較大，凍土區域也較易產生變形，而對于管幕凍結法而言，此處是凍土圈發生防水失效的關鍵部位，在隧道開挖中應給予高度重視，以防止隧道滲漏事故發生。從圖7中也可以發現，塑性區的發展與開挖方案、開挖分塊大小也密切相關，方案1在隧道上部左右兩側產生對稱分布的塑性區，其余方案只在隧道上部右側區域產生塑性區。

圖7 4種方案土體塑性區Fig.7 Plastic zone around tunnel induced by excavation

3.3 結構受力

對4種方案結構受力進行分析，計算結果表明：方案1襯砌彎矩分布對稱，方案2、3、4襯砌彎矩值在開挖過程中始終左側大于右側，對于4種方案，襯砌各個臺階跨中均產生較大的正彎矩，在開挖過程中，出現最大彎矩位置移向開挖側臺階跨中。由于隧道埋深淺，上部土體無法形成足夠的拱效應支撐，4種方案第1臺階襯砌軸力均較大，隨著開挖進行，軸力最大值進一步增大，結構成環后數值有所減小。隨著開挖深度增加，下部豎撐軸力均逐步增大，開挖完成后最下部臺階豎撐軸力達到最大值。中部橫撐，即第2、3臺階交接處橫撐軸力始終較大，并隨著開挖過程增加。各方案內力最大值匯總如表4所示。對比計算結果表明，方案1與方案3支護結構受力較小。

表4 不同方案隧道襯砌與臨時支撐最大內力匯總Table 4 Maximum internal force of tunnel lining and temporary support with different excavation procedures

4 凍土強度的影響

在拱北隧道設計中，凍土主要用于充當止水帷幕，但在隧道開挖中是否考慮凍土支護作用的影響，以及凍土對隧道受力和變形的影響程度，還不明確。本文針對凍土選取不同的彈性模量，以此來探究不同強度凍土在隧道開挖過程中對周邊環境、結構內力的影響。本文以方案3為對象，通過改變凍土區域彈性模量方式來模擬不同強度凍土圈支護作用，凍土彈性模量分別取為200、250、300 MPa，后文中以工況1、工況2和工況3表示，通過對比在不同工況下地表沉降槽、拱頂位移、土體塑性區、結構內力的發展來對比研究凍土的影響。

4.1 地表沉降槽與拱頂位移

不同凍土剛度對地表沉降槽的影響如圖8所示。在不同工況下，地表沉降槽均為最終沉降的過程，其中，工況1地表最大沉降值為47 mm；工況2地表最大沉降值為37 mm，相比工況1減少了21.3%；工況3地表最大沉降值為30 mm，與工況1相比減少了36.2%。當開挖完成后，工況1、2、3的拱頂位移分別為39.4、17.3、8.4 mm，由此可見，凍土剛度對減少地表沉降、拱頂位移有顯著影響。

圖8 不同凍土剛度下沉降槽曲線Fig.8 Effect of frozen soil Young's modulus on ground surface

4.2 土體塑性區

不同工況土體塑性區如圖9中黑色區域所示，由圖9可以看出，周圍土體塑性區隨著凍土區剛度增大而減少。由此表明，凍土剛度在減少施工過程對周圍土體擾動、抑制滲漏通道的形成、保證止水效果上具有顯著作用。

圖9 3種工況土體塑性區Fig.9 Plastic zone

4.3 結構受力

在不同凍土剛度條件下，隧道襯砌受力發展規律一致，最大內力出現點位置一致，最大內力值隨凍土圈強度提高而降低。最大襯砌彎矩均出現在開挖第2塊土體時襯砌結構第1臺階跨中處，當開挖剩余部位時，出現最大襯砌彎矩位置移向開挖側臺階跨中，數值減小；最大襯砌軸力均出現在第1臺階與第1道臨時橫撐交界處，隨著隧道開挖，軸力逐步增大，當支護結構成環后，襯砌軸力小幅減小；隨著開挖深度增加，下部豎撐軸力逐步增大，當開挖完成后，最下部臺階豎撐軸力達到最大值；在開挖過程中，中部橫撐即第2、3臺階交接處橫撐軸力在開挖過程中始終較大。在不同凍土剛度條件下內力最大值如表5所示。

表5 不同凍土剛度隧道襯砌與臨時支撐最大內力匯總Table 5 Maximum internal force of tunnel lining and temporary supportig with different Young's modulus of frozen soil

5 結論與討論

以淺埋、大斷面開挖的拱北隧道為背景，通過數值模擬，分析了隧道不同開挖方案和凍土強度對隧道受力、變形和地層沉降的影響，得到如下結論：

1）不同開挖方案引起的地表沉降與拱頂位移有較大區別。4種開挖方案中，方案1與方案3所采用的支護結構剛度較大，結構內力較小；方案2與方案4采用的支護結構剛度較小，結構內力較大，但施工相對較容易。總體而言，開挖臺階越小，隧道變形和地層位移越小。具體施工方案應結合現場狀況與設計、計算規律，綜合比對，合理選擇。

2）不論何種開挖方案，隧道開挖會引起隧道下部土體產生較大的塑性區，因此，此處也容易使凍土產生較大的變形，進而產生滲漏水風險，應對該處凍土給予重視，以保證隧道施工的防水安全。

3）凍土區域強度對隧道受力、變形和地層位移有較大影響，在施工條件允許的情況下，應考慮提高凍土強度，以保證施工安全。

4）本文數值模擬計算結果僅為初步對比4種方案計算結果，待隧道具體施工方案確定后，還應和現場監測數據進行對比研究，以便更準確地指導工程實踐。

（References）：

［1］ 晁凱.下穿機場跑道大斷面隧道施工力學特性及沉降控制［D］.北京：北京交通大學，2013.（CHAO Kai.Mechanical characteristic and settlement control of the underthrough airport runway large-section tunnel construction［D］.Beijing：Beijing Jiaotong University，2013.（in Chinese））

［2］ 李寧.大斷面隧道超前預加固及開挖支護過程數值模擬研究［D］.北京：北京交通大學，2014.（LI Ning.Numerical simulationofthepre-consolidationandthe excavation of large cross-section tunnel［D］.Beijing：Beijing Jiaotong University，2014.（in Chinese））

［3］ 沈桂平，曹文宏，楊俊龍，等.管幕法綜述［J］.巖土工程界，2006，9（2）：27-29.（SHEN Guiping，CAO Wenhong，YANG Junlong，et al.Overview on pipe curtain ［J］.Geotechnical Engineering World，2006，9（2）：27-29.（in Chinese））

［4］ 朱合華，閆治國，李向陽，等.飽和軟土地層中管幕法隧道施工風險分析［J］.巖石力學與工程，2005，24（增刊2）：5549-5554.（ZHUHehua，YANZhiguo，LI Xiangyang，et al.Analysis of construction risks for piperoofing tunnel in saturated soft soil［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（S2）：5549-5554.（in Chinese））

［5］ 李向陽，閆治國，朱合華，等.軟土地層管幕法隧道箱涵頂進開挖數值模擬［J］.地下空間，2004，24（5）：688-691.（LI Xiangyang，YAN Zhiguo，ZHU Hehua，et al.Excavation numerical simulation of culvert box advanced in pipe-roof in saturated soft soil layer［J］.Underground Space，2004，24（5）：688-691.（in Chinese））

［6］ Eclaircy-Caudron S，Disa D，Kastner R，et al.Numerical modelling of a reinforcement process by umbrella arch［C］//Proceedings oftheInternationalConferenceonNumerical Modelling of Construction Processes in Geotechnical Engineering for Urban Environment，Bochum：CRC Press，2006.

［7］ 李向陽.大斷面管幕-箱涵推進工法中管幕力學作用與開挖面穩定性研究［D］.上海：同濟大學，2006.（LI Xiangyang.Study on pipe roof effect and face stability of large section pipe roof-box jacking method［D］.Shanghai：Tongji University，2006.（in Chinese））

［8］ 程選生，王建華.基于圍巖位移控制的超大斷面黃土隧道施工方法研究［J］.巖土工程學報，2013，35（增刊1）：82-89.（CHENG Xuansheng，WANG Jianhua.Construction methods for loess tunnels with super-large cross-section based on displacement control of surrounding rock［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2013，35（S1）：82-89.（in Chinese））

［9］ Park K.Elastic solution for tunneling-induced ground movements in clays［J］.International Journal of Geomechanics，2014，4 （4）：310-318.

［10］ 喻渝，趙東平，曾滿元，等.客運專線超大斷面隧道施工過程三維力學分析［J］.現代隧道技術，2005，42 （4）：20-24.（YU Yu，ZHAO Dongping，ZENG Manyuan，et al.Analysis of the 3D behavior of tunnels withsuperlargecross-sectiononspeciallinesfor passengers during construction［J］.Modern Tunnelling Technology，2005，42（4）：20-24.（in Chinese））

［11］ 楊永波，劉明貴，張國華，等.鄰近既有隧道的新建大斷面隧道施工參數優化分析［J］.巖土力學，2010，31 （4）：1217-1226.（YANG Yongbo，LIU Minggui，ZHANG Guohua，et al.Analysis of construction parameter optimization for new large cross-section tunnel next to existing tunnels［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31 （4）：1217-1226.（in Chinese））

［12］ 趙鵬社.關于大斷面隧道施工CRD工法的優化［J］.鐵道建筑，2010（8）：77-80.（ZHAO Pengshe.An optimized CRD method of large cross-section tunnel［J］.Railway Engineering，2010（8）：77-80.（in Chinese））

［13］ 孔祥興，夏才初，仇玉良，等.平行小凈距盾構與CRD法黃土地鐵隧道施工力學研究［J］.巖土力學，2011，32（2）：516-524.（KONG Xiangxing，XIA Caichu，QIU Yuliang，et al.Study of construction mechanical behavior of parallel-small spacing Metro tunnels excavated by shield method and cross diaphragm（CRD）method in loess region ［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32（2）：516-524.（in Chinese））

［14］ 余晶，程勇，賈瑞華.港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道方案論證［J］.現代隧道技術，2012，49（1）：119-125，131.（YU Jing，CHENG Yong，JIA Ruihua.Option demonstration for the Gongbei tunnel at the Zhuhai link of theHongKong-Zhuhai-Macaobridge［J］.Modern Tunnelling Technology，2012，49（1）：119-125，131（in Chinese））

［15］ 徐建濤.復雜條件下管幕—凍結地層預處理技術研究［D］.北京：北京交通大學，2014.（XU Jiantao.Study of ground pretreatment technology of pipe curtain-frozen under complex condition［D］.Beijing：Beijing Jiaotong University，2014.（in Chinese））

［16］ 劉書斌，王春波，周立波，等.硬化土模型在無錫地區深基坑工程中的應用與分析［J］.巖石力學與工程學報，2014，33（增刊1）：3022-3028.（LIU Shubin，WANG Chunbo，ZHOU Libo，et al.Application and analysis of hardening soil model in deep foundation pits in Wuxi district［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33（S1）：3022-3028.（in Chinese））

［17］ 王衛東，王浩然，徐中華.基坑開挖數值分析中土體硬化模型參數的試驗研究［J］.巖土力學，2012，33（8）：2283-2290.（WANG Weidong，WANG Haoran，XU Zhonghua.Experimental study of parameters of hardening soilmodelfornumericalanalysisofexcavationsof foundation pits［J］.Rock and Soil Mechanics，2012，33 （8）：2283-2290.（in Chinese））

［18］ 夏瑞萌.承載土體中隧道開挖引起的塑性區與塌落拱范圍的理論與數值分析［D］.北京：北京交通大學，2008.（XIA Ruimeng.The theory and numerial analysis on plastic zone and ground arch due to tunnel excavation in bearing soil［D］.Beijing：Beijing Jiaotong University，2008.（in Chinese））

Impact of Excavation Procedures of Shallow Large Cross-section Tunnel with Pipe-roofing and Frozen Soil on Tunnel Behavior and Ground Movement

ZHANG Dongmei1，2，ZHANG Bokai2，LIU Zhigang3

The tunnel excavation using mining method affects the tunnel behavior and ground movement significantly.Gongbei connection line of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge is a shallow large cross-section tunnel，with poor soil quality and high political sensitivity.In the paper，four potential excavation procedures are studied for the tunnel using FEM.The numerical results indicate that the excavation procedure has significant effect on the lining force，tunnel convergence and ground movement.The ground improvement using pipe roofing and frozen soil supporting is also investigated.The effect of ground improvement is then checked in terms of the tunnel lining force and tunnel convergence.It is found that the ground improvement can reduce the lining force and ground movement significantly.

FEM analysis；excavation procedure of shallow large cross-section tunnel；pipe-roofing and frozen soil；tunnel behavior；ground displacement；soil plastic zone

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.002

U 459.5

A

1672-741X（2015）11-1121-06

2015-08-06；

2015-09-09

交通運輸部建設科技項目（2013318J11300-3）

張冬梅（1975—），女，山東菏澤人，2003年畢業于同濟大學，結構工程專業，博士，教授，主要從事軟土盾構隧道施工與環境相互影響、運營隧道的長期性態研究工作。

（1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.College of Civil Engineering，Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；3.The Management Center of Zhuhai Link Road of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge，Zhuhai 519030，Guangdong，China）