斷面非對稱小凈距黃土地鐵隧道施工順序模擬對比研究

王小林 張 亮 李冀偉 孟敏強 王曉閃

（1.西安科技大學建筑與土木工程學院，710054，西安；2.中鐵隆工程集團有限公司，610045，成都∥第一作者，副教授）

隨著中國城市化建設進程的加快，地鐵建設迅速興起，由于受到城市地形、建構筑物及重要管線等在空間上的限制，為了同時滿足雙線正常行車和停車線功能要求，不可避免地出現了許多斷面非對稱小凈距地鐵隧道。小凈距隧道由于占用空間小，滿足城市地鐵整體線型布局和優化等優點而得到廣泛應用［1］。然而，小凈距隧道洞體間相互影響較大，左右洞二次應力場在中間巖柱處相互疊加，使得中間巖柱應力明顯增大而處于最不利受力狀態，如何保證兩隧道中間巖柱的穩定是小凈距隧道設計和施工的關鍵［2－3］。

對于斷面對稱的小凈距隧道，一般情況下，后行隧道的受力狀態比先行隧道受力狀態稍好一些［4］。而斷面非對稱地鐵隧道結構容易在開挖過程中產生偏壓效應，采用合理的施工方法和開挖順序能夠使得偏壓效應減弱，可改善中間巖柱和先行隧道支護的受力特征［5］。所以，選取合理的施工方法和順序對控制中間巖柱的穩定性具有重要意義。而目前關于斷面非對稱小凈距地鐵隧道先后施工順序對其受力狀態影響的研究相對較少，工程界對斷面非對稱小凈距地鐵隧道施工過程的力學形態、規律等認識尚有不足，對斷面非對稱小凈距地鐵隧道的研究還不夠系統深入，尤其是對修建在黃土地層中的斷面非對稱小凈距地鐵隧道的研究甚少。因此，本文就黃土地層中斷面非對稱小凈距地鐵隧道的不同施工順序對拱頂沉降、拱腰收斂、地表變形、襯砌內力和中間土柱應力特征等進行了研究，并得到了相應的結論，可供以后在黃土地層中修建斷面非對稱小凈距地鐵隧道作借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

西安地鐵5號線興慶路站至青龍寺站區間隧道為兩洞斷面非對稱小凈距隧道，位于雁翔路下方。雁翔路為西北至東南方向交通干道，地面車流及人流量大，道路兩旁建筑物較為密集。本區間斷面非對稱小凈距隧道段穿越的土層主要有第四系全新統人工填土和第四系上更新統新黃土、古土壤，及第四系中更新統老黃土、古土壤及粉質黏土等。各個地層具體的物理力學性質參數見表1。

表1 地層物理力學參數表

1.2 平行小凈距地鐵隧道施工方案

本區間小凈距段地鐵隧道處于市區繁華地段，且隧道埋深較淺、城市環境要求高，如果發生事故，將對社會和經濟產生嚴重的不良影響。因此，合理的隧道施工方法及支護參數顯得尤為重要。本次所研究小凈距隧道段擬選取右線小斷面采用環形臺階法、左線大斷面采用雙側壁導坑法相結合的施工方案。

1.2.1 左線隧道擬采用雙側壁導坑法施工

左線隧道開挖寬度為13.5 m，開挖高度為10.4 m，擬采用大管棚加超前小導管進行預支護；C25混凝土初襯厚度0.35 m，采用HRB400格柵鋼架，其間距為0.5 m；C35混凝土二襯厚度為0.6 m。隧道具體結構斷面見圖1。

由于隧道開挖斷面較大，為有效控制拱頂下沉和地面沉降，保證隧道施工安全，左線大斷面擬采用雙側壁導坑法施工，具體施工方案如下：

1）施工前先對大斷面拱部120°范圍打設φ108 mm、長3 m、入射角為1～2°的大管棚；

2）采用超前注漿小導管注漿加固左上斷面拱部，預留核心土開挖，掛網、架立格柵鋼架、焊接連接鋼筋后，噴射混凝土及打設鎖腳錨管；

3）開挖左下斷面，掛網、架立格柵鋼架、焊接連接鋼筋之后，噴射混凝土及打設鎖腳錨管；

4）超前小導管注漿加固右上斷面拱部，預留核心土開挖，掛網、架立格柵鋼架、焊接連接鋼筋之后，噴射混凝土及打設鎖腳錨管；

5）開挖右下斷面，掛網、架立格柵鋼架、焊接連接鋼筋之后，噴射混凝土及打設鎖腳錨管；

6）采用超前小導管注漿加固中上斷面拱部，預留核心土開挖，拱部掛網、焊接架立格柵鋼架、焊接連接鋼筋之后，噴射混凝土；

7）開挖中下斷面，拱底掛網、焊接架立格柵鋼架、連接鋼筋之后，噴射混凝土；

8）仰拱二次襯砌及底板回填施做；

9）隧道拱腰和拱頂二次襯砌施做。

此外，施工中應加強對拱腳的處理，每側拱腳處打設2根φ32 mm、長3 m、入射角為15°的鎖腳錨管。在施工過程中應及時封閉仰拱，以減少圍巖臨空時間，確保施工安全及控制拱頂下沉和地面沉降。

1.2.2 右線隧道擬采用臺階法施工

右線隧道臺階法開挖寬度為6.28 m，開挖高度為6.67 m，C25 混凝土襯砌厚 0.25 m，采用HRB400格柵鋼架，其間距為0.5 m，C35混凝土二襯厚度0.35 m。隧道結構具體斷面見圖1。由于右線隧道斷面相對較小，擬采用環形臺階法進行開挖，具體施工步序依次為：

圖1 平行布置的斷面非對稱小凈距地鐵隧道橫斷面圖

1）施工前在隧道拱頂處150°范圍打設φ42 mm、長3 m、入射角為10°的超前小導管進行預支護；

2）預留核心土開挖上臺階，掛網、架立格柵鋼架、連接鋼筋焊接后，噴射混凝土及打設鎖腳錨管；

3）預留核心土開挖，開挖下臺階，掛網、架立格柵鋼架、焊接連接鋼筋之后，噴射混凝土；

4）仰拱二次襯砌及底板回填施做；

5）隧道拱腰和拱頂二次襯砌施做。

此外，在施工過程中，應加強對隧道的施工監測，并根據監控量測結果，及時合理地調整隧道支護參數，以保證隧道安全施工。

2 隧道施工動態數值模擬

2.1 計算模型及計算參數

本工程小凈距隧道段，由于斷面較大、兩隧道之間的凈距較小，最小凈距僅為2.35 m，此段施工風險最大。選埋深最大、凈距最小處的斷面作為計算斷面，采用MIDAS－GTS軟件進行二維動態數值模擬，分析左、右線隧道開挖過程中受力及變形情況。根據隧道力學分析結果，有限元計算模型取隧道左、右側各約4倍洞徑，下部取大于3倍洞徑為邊界進行模擬分析［6］。具體的有限元基本網格劃分如圖2所示。

圖2 小凈距隧道有限元分析基本網格劃分示意圖

初期支護、二襯及支撐均采用線彈性材料，土體采用彈塑性摩爾－庫倫準則。為保證地鐵隧道在無水環境下進行施工，施工前對隧道進行合理有效的降水，因此，分析中不考慮地下水的影響。根據工程地質資料相關的各地層計算參數如表1所列，支護結構的計算參數見表2。

表2 支護結構參數表

2.2 施工方案

文獻［5，7－8］對斷面非對稱小凈距地鐵隧道的大小斷面施工先后順序的研究取得了一些進展，但這些結論都是針對特定的地層和施工方法而言，對本工程左線擬采用雙側壁導坑法、右線擬采用臺階法施工有一定的借鑒意義。而對本工程具體采用何種施工順序，還需要作進一步分析研究，以適應于本工程特有的黃土地層和擬選的施工方法。本工程采用兩種施工方案進行數值模擬：

1）方案一：先大后小，即先雙側壁導坑法施工左線大斷面隧道，后臺階法施工右線小斷面隧道。

2）方案二：先小后大，即先臺階法施工右線小斷面隧道，后雙側壁導坑法施工左線大斷面隧道。

3 模擬計算結果及分析

3.1 沉降及收斂結果分析

先施工大斷面、后開挖小斷面施工完成后，地層豎向和水平位移云圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 方案一隧道施工后地層豎向位移云圖

圖4 方案一隧道施工后地層水平位移云圖

先施工小斷面、后開挖大斷面施工完成后，地層水平和豎向位移云圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 方案二隧道施工后地層豎向位移云圖

圖6 方案二隧道施工后地層水平位移云圖

由圖3～圖6可知：對于方案一，左右線隧道施工完成后，地面最大豎向位移為11.86 mm，拱頂最大位移為13.88 mm，而小凈距段中間土柱的最大水平位移為7.02 mm；對于方案二，左右線隧道施工完成后，地面最大豎向位移為11.48 mm，拱頂最大位移為13.45 mm，而小凈距段中間土柱的最大水平位移為5.58 mm。對比以上分析結果不難看出：無論是方案一還是方案二，在施工完成后，地面和拱頂最大豎向位移均發生在靠近大斷面的一側，且方案一的豎向位移略大于方案二的豎向位移，但其值相差并不大；對于水平位移，由于中間土柱為小凈距隧道施工中的薄弱部位，兩種方案在施工中均對中間土柱產生多次擾動，此處的水平位移為兩次施工位移后的疊加，最終方案二水平位移小于方案一，相比較方案二使施工完成后最大水平位移減小了20.5%，有效控制了中間土柱的水平位移。因此，先施工小斷面后施工大斷面的方案二能夠有效控制中間土柱的水平位移，更有利于施工安全。

3.2 隧道襯砌支護內力分析

1）彎矩分析：兩種方案的工況條件下，支護結構的彎矩分布如圖7所示。從圖7中可以看出，彎矩最大絕對值（正彎矩、負彎矩）均發生在拱腰和拱腳處，且均位于中間土柱一側。左洞（大斷面）先行時，彎矩最大值發生在左洞（正彎矩145.07 kN·m，負彎矩190.91 kN·m）。右洞（小斷面）先行時，彎矩最大值發生在右洞（正彎矩45.91 kN·m，負彎矩83.02 kN·m）。因此，從彎矩峰值大小來看，右洞小斷面先行時，待施工完成后，峰值彎矩比左洞大斷面先行降低了56.5%，大大減小了施工完成后襯砌的彎矩，所以，宜先施工小斷面，這樣更有利于支護受力而偏于安全。

圖7 施工結束后支護彎矩分布云圖

2）剪力分析：兩種方案的工況條件下，支護結構的剪力分布如圖8所示。從圖8中可以看出，施工順序對于隧道剪力影響較大，兩種工況剪力絕對最大值均發生在拱腳處。左洞先行時，剪力絕對最大值為132.77 kN，且發生在左洞靠近中間土柱側拱腳；右洞先行時，剪力絕對最大值為94.45 kN，且發生在右洞靠近中間土柱側拱腳處。對比兩種施工順序，右洞（小斷面）先行能夠有效降低施工完成后支護的剪力，與大斷面先行相比，其值降低了28.8%。因此，小斷面先行、大斷面后行的施工順序更為合理。

圖8 施工結束后支護剪力分布云圖

3）軸力分析

兩種方案的工況條件下，引起支護結構軸力分布如圖9所示。從圖9中可以看出，施工順序對軸力的影響也較大。最大軸力均發生在隧道拱腰處。右洞先行時，軸力最大值發生在左洞靠中間土柱側的邊墻處，其值為566.97 kN；右洞先行時，軸力最大值發生在右洞中靠中間土柱側的邊墻處，其值為550.71 kN。通常情況下，跨度大的隧道在施工過程中穩定性更差，進而在施工完成后產生更大的支護內力，如果左洞先行，軸力最大值發生在大斷面一側，更為不利；而右洞先行則較好地避免了這種不利影響，而且軸力值有所降低。因此，經綜合考慮，認為先施工小斷面隧道更有利于小凈距隧道整體穩定性，且施工安全性更高。

圖9 施工結束后支護軸力分布云圖

3.3 中間土柱應力分析

平行隧道中間土柱的穩定性對小凈距隧道至關重要，能否保證中間土柱穩定往往成為小凈距隧道施工成敗的關鍵［9］。斷面非對稱小凈距隧道夾持土由于受到施工過程中的多次擾動，施工過程中風險較大，施工完成后此處應力為多次施工擾動后應力狀態的疊加。

兩種順序施工完成后，小凈距隧道中間土柱X（橫）Y（豎）方向剪應力云圖如圖10所示。

由圖10可以看出，中間土柱最大剪應力發生在小斷面隧道靠近中間土柱側；左洞先行時，中間土柱最大正剪應力出現在右洞拱腳處，其值為266.6 kN／m2，剪應力區面積較大；右洞先行時，中間土柱最大正剪應力出現在右洞拱腳處，其值為202.1 kN／m2，剪應力區域與左洞先行時相比，明顯減小，其值降低24.2%。左洞先行時，小斷面拱肩處中間土柱最大負剪應力為264.1 kN／m2，剪應力區面積較大；右洞先行時，小斷面拱肩處中間土柱最大負剪應力為231.6 kN／m2，剪應力區面積減小，負剪應力值降低12.3%。因此，右洞小斷面先行時，更有利于中間土柱的受力，施工風險更低。

圖10 小凈距隧道中間土柱剪應力云圖

兩種順序施工完成后，小凈距隧道中間土柱最大主應力隨開挖步數變化曲線如圖11所示。

圖11 中間土柱最大主應力隨開挖步數變化曲線

后行隧道開挖引起先行圍巖和中間巖柱應力的疊加，其是造成隧道圍巖失穩的主要原因。由圖11可以看出，在施工過程中，無論是先施工大斷面隧道還是先施工小斷面隧道，隨著施工步數的推進，中間土柱最大主應力均有增大的趨勢，而且，大斷面先行時最終的最大主應力略大于小洞先行時。因此，小洞先行時，對中間土柱應力控制更為有利。此外，從圖11中還可以看出，兩種方案施工過程中，當大斷面雙側壁導坑法拆除臨時支撐時，中間土柱最大主應力有明顯增大的趨勢，這時，如果控制不當，中間夾持土柱就可能失穩破壞，導致嚴重的工程事故。因此，應特別注意在臨時支撐拆除過程中，對中間土柱應力突變進行有效控制。

4 結論

針對斷面非對稱小凈距黃土地鐵隧道左線大斷面雙側壁導坑法與右線小斷面臺階法先后施工順序進行了對比分析，并結合不同的施工順序引起圍巖和襯砌的施工力學狀態的數值模擬結果，可得出結論如下：

1）先施工臺階法小斷面隧道、后開挖雙側壁導坑法大斷面隧道的施工順序對圍巖的擾動較小，與先施工雙側壁導坑法大斷面隧道、后進行臺階法小斷面隧道的施工順序相比，雖然拱頂和地表沉降變形相差不多，但是能夠有效地減小拱腰水平位移和中間土柱應力。

2）先行的地鐵隧道施工完成后，襯砌內力呈對稱分布，隨著后行地鐵隧道的施工，先行隧道襯砌內力逐漸向著中間土柱側轉移，并呈非對稱分布狀態，且最大值均發生在靠近中間土柱側；先貫通小斷面、后貫通大斷面對襯砌內力影響小，更有利于襯砌的受力變形。

3）大斷面隧道施工靠近中間土柱側時，會引起左洞拱頂沉降突變，同時雙側壁導坑法能夠有效減小洞身變形，但是在拆除臨時支撐的過程中，會引起中間土柱中應力突變，圍巖及支護結構內力重分布導致圍巖和支護結構的內力及位移變化較大，故在施工中要加強監控。

4）采用先施工小斷面隧道后施工大斷面隧道的施工順序更為合理，其施工安全性更高。

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