黏土地層地鐵隧道開挖工法的選擇

高詩明，張煒閃，王雙超，唐霞，陳建平

(1．中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢430074;2．河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院，河南鄭州451400)

黏土地層地鐵隧道開挖工法的選擇

高詩明1，張煒閃2，王雙超1，唐霞1，陳建平1

(1．中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢430074;2．河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院，河南鄭州451400)

在工程建設(shè)中，隧道往往穿越復(fù)雜的黏土地層。鑒于黏土體流變性、不均勻性、壓縮性高、強度低、透水性差等特點，隧道需采用恰當(dāng)?shù)氖┕すし?。文章采用有限元軟件Plaxis對武漢地鐵2號線一期工程25標(biāo)段進(jìn)行了全斷面法、正臺階先拱后墻法和預(yù)留核心土法三種施工工法的對比分析。結(jié)果表明:預(yù)留核心土法在黏土地層施工中，能有效控制洞周位移和圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，并可顯著改善圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，是較為合理的施工工法。

黏土 地鐵 施工優(yōu)化 數(shù)值計算

在隧道工程建設(shè)過程中不可避免地要穿越復(fù)雜的黏土地層。而黏土地層又具有流變性、壓縮性高、強度低、透水性差等復(fù)雜的物理力學(xué)性質(zhì)。因此，根據(jù)實際工程黏土體的物理力學(xué)性質(zhì)及其分布，正確評價不同施工工法對地鐵隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，選擇恰當(dāng)?shù)氖┕すしㄓ葹橹匾?。許多學(xué)者對黏土地層條件下隧道施工方法展開了研究。何宗文［1］以大連疏港高速公路松樹嶺砂質(zhì)黏土隧道為例，研究了上下斷面短臺階法開挖隧道時對地面位移產(chǎn)生的影響等;秦國剛［2］結(jié)合天恒山隧道工程實踐，分析了大跨度淺埋黏土隧道三臺階法開挖的工藝流程、質(zhì)量控制方法等;李兵等［3］結(jié)合云陽山隧道軟弱圍巖亞黏土地層情況，討論了七步開挖法在實際工程中的應(yīng)用問題。

盡管國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量研究，但不同地區(qū)黏土地層的性質(zhì)存在明顯差異，文章以武漢地鐵2號線一期工程25標(biāo)黏土地層為對象，建立隧道計算模型，模擬分析全斷面法、正臺階先拱后墻法、預(yù)留核心土法三種不同施工工法下地鐵隧道圍巖的位移、塑性區(qū)、初支內(nèi)力以及彎矩的變化，并結(jié)合地鐵隧道現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，選擇合適的施工工法。以期為同類隧道的施工提供參考。

1 工程概況

武漢地鐵2號線一期工程橫穿長江南北，隧道沿線交通量大，交通干道縱橫交錯，地下管線錯綜復(fù)雜，高層建筑分布密集。沿線廣泛分布黏土層，隧道上覆人工填土，厚度不一，狀態(tài)多樣，硬塑、可塑、軟塑均有存在。穿越的第四系土層分布復(fù)雜，主要為黏土地層在水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造條件、地層巖性組合、土體成因類型等方面，不同地貌單元間存在著明顯的差異。地鐵自北端的金銀潭車站到南端的光谷廣場車站，依次穿過長江二級階地區(qū)、一級階地區(qū)、河床河道區(qū)、三級階地區(qū)和剝蝕丘陵地貌區(qū)等地貌單元，如圖1所示。

圖1 武漢市地鐵2號線沿線地貌單元劃分

2 隧道開挖模型的建立

采用荷蘭Delft科技大學(xué)開發(fā)的Plaxis有限元軟件進(jìn)行模擬分析，該軟件能夠模擬復(fù)雜地質(zhì)條件下的工程情況，并對工程巖土體的穩(wěn)定情況和變形發(fā)展進(jìn)行分析。

計算模型為三維模型，模型采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，隧道凈高5.8 m，凈寬5.2 m，埋深15 m，模型高度40 m，縱向長30 m，兩側(cè)邊界距離洞中心30 m。因為模型及開挖方式基本對稱，所以只考慮其中一半，三維模型如圖2所示。在沒有額外附加參數(shù)的情況上暫不考慮節(jié)理、層理、剪切帶等地質(zhì)軟弱面。

本次計算所采用材料的物理力學(xué)參數(shù)均取自設(shè)計報告，具體如表1和表2所示。

圖2 隧道開挖三種不同工法的三維模型

表1 黏土地層巖土體物理力學(xué)參數(shù)建議值

表2 初期支護(hù)力學(xué)參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

1)三種施工工法的位移對比

采用全斷面法、正臺階先拱后墻法、預(yù)留核心土法三種施工工法開挖時引起的總位移等值線圖如圖3所示。可見，隨著施工的進(jìn)行，各項位移值都在不斷增加。拱頂下沉速度在開挖初期較大，之后位移曲線逐漸趨于平緩。隧道最大沉降量出現(xiàn)在拱頂，其值為170，300，38 mm。

預(yù)留核心土法開挖時產(chǎn)生的最大拱頂沉降量為38 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于全斷面法(170 mm)和正臺階先拱后墻法(300 mm)。這主要是因為預(yù)留核心土法施工是在弧形導(dǎo)坑前進(jìn)一段距離后才挖除中央核心土，能很好地穩(wěn)定隧道掌子面。正臺階先拱后墻法施工先開挖拱頂再開挖邊墻，拱頂圍巖容易發(fā)生塌落現(xiàn)象，不利于掌子面的穩(wěn)定。而全斷面法開挖時對隧道一次性產(chǎn)生很大擾動，容易對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響?？紤]到城市地鐵隧道開挖時應(yīng)嚴(yán)格控制地表沉降，以免對既有建筑物及管線造成不必要的損害，故建議選擇預(yù)留核心土法開挖。

圖3 三種施工工法的總位移等值線

2)三種施工工法的塑性區(qū)發(fā)展對比

采用全斷面法、正臺階先拱后墻法、預(yù)留核心土法三種施工工法開挖時引起的塑性區(qū)分布模擬值如表3所示。

從表3可以看出，采取全斷面法開挖時塑性區(qū)分布較密集，邊墻處、墻腳處、拱腳處、底部延伸深度分別為2.5，2.8，2.0，3.0 m。采用正臺階先拱后墻法開挖時塑性區(qū)分布稀疏，邊墻處、墻腳處、拱腳處、底部延伸深度分別為1.6，2.6，1.2，2.4 m。采用預(yù)留核心土法開挖時塑性區(qū)分散，邊墻處、墻腳處、拱腳處、底部延伸深度分別為1.5，2.4，1.1，2.5 m。

在塑性區(qū)發(fā)展方面，預(yù)留核心土法塑性區(qū)范圍最小，邊墻處、墻腳處、拱腳處延伸深度均小于全斷面法和正臺階先拱后墻法;底部延伸深度小于全斷面法，略大于正臺階先拱后墻法。故從控制塑性區(qū)發(fā)展方面考慮，亦應(yīng)選擇預(yù)留核心土法。

3)三種施工工法的軸力和彎矩對比

三種施工工法下隧道初期支護(hù)的軸力彎矩值對比如表4所示。

表3 三種施工工法塑性區(qū)分布

表4 三種施工工法初期支護(hù)的軸力彎矩對比

從初期支護(hù)受力來看，預(yù)留核心土法初期支護(hù)的最大軸力以及最大彎矩分別出現(xiàn)在拱肩和拱頂，其中最大軸力為800 kN，最大彎矩為56 kN·m，均小于全斷面法和正臺階先拱后墻法。這說明采用預(yù)留核心土法施工能有效地改善圍巖受力狀態(tài)，使得初期支護(hù)主要承受壓應(yīng)力作用。軸力值、彎矩值遠(yuǎn)小于襯砌支護(hù)的承載力極限狀態(tài)，不影響結(jié)構(gòu)的安全。

綜合比較分析全斷面法、正臺階先拱后墻法、預(yù)留核心土法三種施工工法，建議在黏土地層中采用預(yù)留核心土法。

4 隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對比

城市具有復(fù)雜的地質(zhì)條件，無論是通過理論計算、工程類比還是數(shù)值模擬所獲得的設(shè)計方面的資料，都可能與現(xiàn)場施工情況有一定的出入。因此，現(xiàn)場監(jiān)控量測是檢驗實際工程合理性的最重要的手段和標(biāo)準(zhǔn)［4］。

拱頂是隧道周邊撓度最大處，其位移具有較強的代表性。武漢地鐵2號線一期工程25標(biāo)段圍巖主要為黏土地層，現(xiàn)場施工中采用預(yù)留核心土法開挖，此標(biāo)段隧洞埋深為8～20 m。因此選取了25標(biāo)段YDK25 +550，YDK25+580和ZDK25+565 3個典型斷面為研究對象，對其拱頂變形進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 黏土地層拱頂沉降曲線

從圖4可以看出，3個典型斷面的實測拱頂下沉為44～46 mm，而利用有限元軟件Plaxis模擬的拱頂下沉為38 mm。有限元模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測資料基本吻合。

5 結(jié)論

文章以武漢地鐵2號線一期工程25標(biāo)段為研究背景，采用有限元軟件Plaxis模擬隧道穿越黏土地層時，三種工法施工引起的圍巖位移、塑性區(qū)發(fā)展、初期支護(hù)軸力和彎矩的變化，得到以下結(jié)論:

1)在黏土地層中，采用預(yù)留土法施工可以有效控制拱頂下沉和周邊收斂，特別是在隧道穿越不良地層時核心土的作用尤為明顯。

2)預(yù)留核心土法施工時，塑性區(qū)較分散而且范圍較小，能很好地控制塑性區(qū)的發(fā)展。

3)從初期支護(hù)受力來看，采用預(yù)留核心土法施工初期支護(hù)承受的最大軸力以及最大彎矩小于全斷面法和正臺階先拱后墻法，說明預(yù)留核心土法施工在改善支護(hù)的受力情況方面要優(yōu)于后者。建議在土質(zhì)較差地段采用預(yù)留核心土法。

4)采用預(yù)留核心土法開挖的有限元模擬結(jié)果與實測結(jié)果基本吻合，故建議采用預(yù)留核心土法。

［1］何宗文．大跨度砂質(zhì)黏土隧道施工變形規(guī)律研究［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009，46(4):12-18．

［2］秦國剛．大跨度粘土公路隧道臺階法施工技術(shù)探討［J］．華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2009(6):1-3．

［3］李兵，何英偉，陽軍生，等．云陽山隧道亞粘土地層臺階七步開挖施工技術(shù)［J］．公路工程，2008，33(5):96-98，103．

［4］武圓月，龔潔英．北京地鐵10號線草橋站至紀(jì)家廟站區(qū)間盾構(gòu)隧道施工監(jiān)測與分析［J］．鐵道建筑，2013(9):34-38．

(責(zé)任審編葛全紅)

U455．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．19

1003-1995(2015)04-0070-03

2014-10-20;

2015-02-10

高詩明(1987—)，男，山東沂南人，博士研究生。