礦山法地鐵隧道人防段開挖工法適用性研究

陳 凱，宮全美，于 正，劉 義

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司交建工程分公司，上海 200940）

礦山法地鐵隧道人防段開挖工法適用性研究

陳 凱1，宮全美1，于 正1，劉 義2

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司交建工程分公司，上海 200940）

礦山法地鐵隧道中，人防段斷面尺寸較大，通常采用與正線不同的開挖工法，以保證施工安全；但人防段往往長度較短，導致在短距離內(nèi)頻繁切換工法，大大降低施工效率。以青島某地鐵人防段為背景，通過有限元計算和現(xiàn)場實測，研究了人防段采用與正線相同工法（臺階法）及不同工法（CD法）時對拱頂沉降、地表變形、凈空收斂的影響。結(jié)果表明，在Ⅳ級圍巖中，人防段這種小長度大斷面區(qū)間可以采用臺階法，為類似工程提供參考。

地鐵人防段；礦山法隧道；工法比較；數(shù)值模擬；現(xiàn)場實測

礦山法地鐵隧道常用的開挖方法包括全斷面法、臺階法、環(huán)形正臺階法、CD法（中隔壁法）、CRD法（交叉中隔壁法）等。根據(jù)文獻[1-2]可知，由于人防段斷面尺寸較大，依據(jù)設(shè)計，往往采用相較于正線更保守的開挖工法，而工法轉(zhuǎn)換意味著復雜的受力轉(zhuǎn)換、較大的施工風險和較長的工期。

目前，對于特定工程背景下工法比較的研究較多，對于工法轉(zhuǎn)換的施工工藝也有一定量的研究，但是針對特定條件下工法轉(zhuǎn)換必要性的研究比較少。張潔溪等[3]以青島地區(qū)位于上軟下硬地層的地鐵車站為例，研究了雙側(cè)壁導坑法和單拱大空間法造成的變形等差異。王暖堂等[4]根據(jù)各種不同斷面形式的特點和地質(zhì)條件，對各種施工方案、支護方式及防水技術(shù)進行了多方案的分析比較與優(yōu)選。刁志剛等[5]研究了大斷面隧道穿越上軟下硬地層時CRD法、上下臺階法、上下臺階拱部導坑法、上下臺階+CD法等工法的適用性。肖廣智[6]以北京地鐵天安門西站為例，對中洞法、側(cè)洞法、柱洞法等進行了技術(shù)、經(jīng)濟比較。楊仲杰[7]對地鐵雙聯(lián)拱隧道雙導洞法和中洞法進行了力學分析。蘇斌[8]定性比較了長臺階法、短臺階法、中隔壁法、雙側(cè)壁導坑法、中洞法在長大地鐵隧道區(qū)間的適用程度。刁心宏等[9]從位移及應(yīng)力兩方面來分析不同開挖方案下引起的圍巖變化規(guī)律。岳陽[10]利用實測數(shù)據(jù)，從施工安全、施工質(zhì)量、施工進度三方面出發(fā)比較了某地鐵左右線人防段分別采取的四部CRD法和臺階法的優(yōu)缺點。谷栓成等[10]以西安地鐵三號線太白南路——吉祥村暗挖區(qū)間隧道工程為依托，研究了臺階法和CRD法的隧道圍巖變形規(guī)律。苗潤前[11]探討了中洞法與雙側(cè)壁導坑法相互轉(zhuǎn)換的技術(shù)細節(jié)。馬天文[12]以南京地鐵一號線南京站～東井亭區(qū)間渡線段隧道為例，研究了大跨變斷面隧道工法轉(zhuǎn)換的注意事項。

本文以青島某地鐵人防段為例，其正線采用臺階法，利用有限元與實測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，分析人防段分別采用CD法和臺階法時拱頂沉降、地表變形和凈空收斂，討論在Ⅳ級圍巖中，小長度大斷面隧道轉(zhuǎn)換工法的必要性，為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

青島某地鐵隧道采用礦山法開挖，隧道位于IV級圍巖中，其中人防段斷面開挖輪廓線尺寸為9 400 mm×9 500 mm，拱頂埋深15.7 m；正線開挖輪廓線尺寸為7 380 mm×7 270 mm，拱頂埋深17.3 m。采用“格柵拱架+掛網(wǎng)噴射混凝土”作為初支，格柵拱架尺寸為220 mm×220 mm，間距0.75 m，噴射混凝土厚度300 mm。斷面圖如圖1所示。

圖1 斷面圖（深度單位：m，其它單位：mm）Fig.1 Profile view（depth unit：m,other unit：mm）

隧道拱頂150°范圍內(nèi)設(shè)置單排φ42超前小導管，小導管長為3.5 m，環(huán)縱向間距0.4 m×1.5 m，傾角15°；邊墻設(shè)置φ25中空注漿錨桿，長度3.5 m，環(huán)縱間距1 m×0.75 m，梅花形布置。超前小導管與錨桿布置圖如圖2所示。

圖2 隧道拱頂加固和邊墻加固 （單位：mm）Fig.2 Reinforcement of tunnel vault and side wall（unit：mm）

正線隧道和人防段的平面位置如圖3所示，左右線隧道的平均間距（中心間距）為18.5 m，陰影部分表示人防段。左右線人防段長度均為9 m，沿隧道縱向的間距為3 m。其中DBC-1、DBC-2是施工時布置的兩個地表沉降監(jiān)測點，GDC-1、GDC-2是兩個拱頂沉降監(jiān)測點。

圖3 平面圖（單位：mm）Fig.3 Planar graph（mm）

1.1 地貌特征

據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》（GB50307-2012）附錄E、《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB10003-2005）附錄A的規(guī)定，本區(qū)間隧道圍巖基本分級見下表1。本區(qū)間位于濱海堆積區(qū)，地形開闊平坦，主要由濱海沉積物、河流沉積物組成，民居較為集中，大部分地區(qū)已被開發(fā)，城市化趨勢明顯。

表1 區(qū)間隧道圍巖分級Tab.1 Classification of surrounding rocks in metro tunnel

1.2 地下水簡況

地下水類型主要為第四系孔隙水及基巖風化裂隙水，水量較大；在局部發(fā)育節(jié)理密集帶及構(gòu)造碎裂巖地段，地下水類型主要為基巖構(gòu)造裂隙水，受巖體構(gòu)造裂隙發(fā)育程度及匯水條件影響，其水量及圍巖透水性差異較大。隧道開挖過程中，巖土層失水后基本不會引起地表沉降、地面建（構(gòu)）筑物開裂等問題，對隧洞內(nèi)的地下水可采用集水明排，若水量較大，可考慮采用洞內(nèi)止水帷幕注漿，必要時進行地面高壓旋噴輔助注漿止水。

2 隧道施工過程數(shù)值模擬

2.1 參數(shù)選取及模型建立

本文分別建立有限元模型來研究CD法和臺階法施工的影響。模型約束條件采用位移邊界條件，即模型的左右兩側(cè)施加水平向位移約束條件，底面是固定邊界，頂面為自由面。計算模型內(nèi)容包括場地巖土體、初支以及加固區(qū)土體。

計算中對于場地土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進行模擬，考慮到隧道開挖過程較短，因此按照土體的不排水有效應(yīng)力參數(shù)進行分析。初支采用線彈性本構(gòu)。小導管的注漿效果可視為在隧道圍巖中形成了環(huán)狀加固圈，因此，小導管注漿加固圍巖可采用改善圍巖參數(shù)的等效方法進行考慮[13-14]，參數(shù)按照模量提升為原土層的3.3倍，粘聚力提升為原土層的15倍，內(nèi)摩擦角提升為原土層的1.2倍進行取值。中空注漿錨桿加固區(qū)模擬方法與小導管注漿加固區(qū)類似，錨固區(qū)的c，φ，Ε按式（1）選取[15-16]

式中：τα為錨桿抗剪強度τα=0.6 Rst，Rst為鋼筋的抗拉強度設(shè)計值；e，i為錨桿的縱橫間距，分別取0.5 m，1 m；A為單根錨桿的截面積。模型參數(shù)如表2所示。

表2 參數(shù)選取Tab.2 Parameter selection

三維模型如圖4所示，模型大小為88.5×70×35 m3。先開挖右線，后開挖左線，開挖方向如箭頭所示。

2.2 開挖模擬工況

正線和人防段的開挖進尺都是0.75 m。CD法開挖時，隧道左側(cè)導坑掌子面先行右側(cè)導坑掌子面9 m，每側(cè)導坑臺階長度4.5 m。臺階法開挖時，上、下臺階距離4.5 m。兩種工法施工時，仰拱與下部導洞或下部臺階的初支同時施作，施作完仰拱后填上0.8 m厚的渣土繼續(xù)向前開挖。

根據(jù)人防段隧道的結(jié)構(gòu)特點，CD法將隧道斷面分為4個分部進行開挖，每個分部開挖后即進行初期支護的施做封閉成環(huán)，使得隧道開挖斷面由大斷面變?yōu)樾嗝妗Ｕ麄€施工過程模擬通過以下步驟實現(xiàn)：

1）初始地應(yīng)力平衡；

2）置換加固區(qū)土層以模擬超前小導管及管棚支護；

3）開挖左上部導洞；

4）施做左上部導洞初期支護；

5）開挖左下部導洞；

6）施做左下部導洞初期支護；

7）右導洞的開挖和支護同左導洞；

8）重復以上步驟向前推進。

臺階法將隧道斷面分為2個分部進行開挖，整個施工過程模擬通過以下步驟實現(xiàn)：

1）開挖拱部；

2）上半斷面拱部初期支護；

3）挖下半斷面；

4）下半斷面初期支護；

5）重復以上步驟向前推進。

圖4 有限元三維模型圖Fig.4 Finite element three-dimensional model

3 有限元計算結(jié)果分析

根據(jù)《地鐵工程監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》（DB11/490-2007）、《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB 10003-2016），并結(jié)合實際工程要求，以地表隆起10 mm、沉降30 mm，拱頂變形值±20 mm，凈空收斂值±20 mm為限值，判定開挖工法的變形控制效果。

以下結(jié)果分析均針對幾個特定的點，分析點布置如圖5所示。其中“GD-1,2,3,4”和“GD-7,8,9,10”分別表示均勻分布在右線人防段和左線人防段拱頂上的四點，“DB-1,2,3,4”和“DB-7,8,9,10”則為對應(yīng)位置的地表點。 “DB-5”、“GD-5”表示距離右線人防段 2 m 處的地表點和拱頂點，“DB-6”、“GD-6”則距離右線人防段25 m，“DB-11”、“GD-11”距離左線人防段3 m。以上各點均位于隧道軸線所在縱向斷面內(nèi)。“JK-1”是位于右線隧道人防段中心里程所在橫斷面邊墻上的兩點，提取該處數(shù)據(jù)作為凈空收斂值。

圖5 分析點位置圖Fig.5 Analysis point map

3.1 沉降分析

以開挖進尺為橫坐標，討論選定點的變形情況。橫坐標總長140 m，前70 m表示右線開挖，后70 m表示左線開挖，右線人防段和左線人防段開挖分別位于39～48 m和97～106 m區(qū)間上。選取典型施工步對應(yīng)的沉降值作為縱坐標。對于臺階法，典型施工步包括①右線開挖39 m；②右線隧道人防段小導管注漿完畢，右線隧道上臺階開挖4.5 m；③右線隧道上臺階開挖完畢，下臺階開挖4.5 m；④ 右線隧道開挖完畢；⑤ 右線隧道繼續(xù)開挖22 m（貫通）；⑥針對左線重復①～⑤步。對于CD法，典型施工步包括① 右線開挖39 m；② 右線隧道人防段小導管注漿完畢，左上臺階開挖4.5 m；③ 左上繼續(xù)開挖4.5 m，左下臺階開挖4.5 m；④ 左下繼續(xù)開挖4.5 m，右上臺階開挖4.5 m；⑤右上繼續(xù)開挖4.5 m，右下臺階開挖4.5 m；⑥右下臺階繼續(xù)開挖4.5 m；⑦ 右線隧道繼續(xù)開挖22 m（貫通）；⑧ 針對左線重復①～⑦步。

采用臺階法引起的地表沉降如圖6、圖7所示。由圖6可知，人防段上方各點地表沉降主要發(fā)生在人防段開挖階段，產(chǎn)生了約4.5 mm的變形，左線開挖對右線影響很小。遠離人防段的地表點受人防段開挖影響十分微小，因此假定該點沉降值是單純由正線臺階法開挖造成的，這里沉降值為6.9 mm；而人防段由于斷面較大，采用相同工法則產(chǎn)生了8.5 mm的沉降。由圖7可知，右線人防段附近地表位移與左線發(fā)展規(guī)律類似，最大值也是8～9 mm，所以以下的結(jié)果分析僅考慮右線人防段。

圖6 DB-1～DB-6沉降值隨開挖進尺變化圖（臺階法）Fig.6 The variation of surface subsidence of DB-1～DB-6 with excavation footage

圖7 DB-7～DB-11沉降值隨開挖進尺變化圖（臺階法）Fig.7 The variation of surface subsidence of DB-7～DB-11 with excavation footage

采用臺階法引起的GD-1～GD-6沉降值如圖8所示。圖8中統(tǒng)計的沉降值反映的是拱頂沉降分析點在開挖全過程中的變形結(jié)果，而拱頂沉降是在隧道開挖后才開始計算，所以每個分析點的拱頂沉降值需要扣除之前的地層變形值得到。由圖8可知，采用臺階法時引起的拱頂沉降值最大為11.8 mm。相較于地表沉降，拱頂沉降受相鄰線路的影響更小。

圖8 GD-1～GD-6沉降值隨開挖進尺變化圖（臺階法）Fig.8 The variation of surface subsidence of GD-1～GD-6 with excavation footage

采用CD法引起的地表沉降如圖9所示。由圖9可知，人防段大斷面隧道采用CD法開挖能將地表沉降值與正線上方地表沉降控制在同一水平。對比圖6可知，CD法能減小大斷面開挖造成的地表沉降，CD法引起的階段位移是3.4 mm，總沉降約為6.7 mm。

圖9 DB-1～DB-6沉降值隨開挖進尺變化圖（CD法）Fig.9 The variation of surface subsidence of DB-1～DB-6 with excavation footage

采用CD法引起的GD-1～GD-6沉降值如圖10所示。對比圖8，可以看出相較于臺階法，采用CD法開挖人防段可以較大程度地減小隧道拱頂沉降。運用CD法時，引起的最大拱頂沉降值是6.9 mm，為臺階法的58.6%。

圖10 GD-1～GD-6沉降值隨開挖進尺變化圖（CD法）Fig.10 The variation of surface subsidence of GD-1～GD-6 with excavation footage

在Ⅳ級巖層中，CD法控制變形的能力強于臺階法；采用CD法開挖人防段時，引起的地表沉降是臺階法的78.9%，拱頂沉降是臺階法的58.6%。

3.2 凈空收斂分析

洞室收斂是評價圍巖穩(wěn)定性和支護系統(tǒng)工作狀態(tài)的一個指標。選取分析點JK-1，分別提取采用臺階法和CD法時的凈空收斂值，可以得到圖11。其中“-”表示收縮，“+”表示擴張。從圖中可以看出，臺階法和CD法開挖時，凈空收斂趨于一直增大（擴張），最后分別穩(wěn)定于3.1 mm和2.5 mm，量值均較小。在開挖至掌子面時會產(chǎn)生一定的收縮，是因為開挖過程中支護無法立即跟上，臨空的圍巖在徑向發(fā)生了一定的變形。

圖11 右線人防段中心斷面凈空收斂值變化情況Fig.11 Changes of the clearance value for the center cross of the air defense section in the right line

綜上，可以得到，在IV級圍巖中，人防段采用臺階法時，產(chǎn)生的地表沉降、拱頂沉降、凈空收斂分別為8.5，11.8和3.1 mm，滿足地表變形隆起10 mm，沉降 30 mm，拱頂變形值±20 mm，凈空收斂值±20 mm的變形控制要求。

4 實測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)前述的工法適用性分析，現(xiàn)場采用了臺階法，并如圖3布置了監(jiān)測點，監(jiān)測結(jié)果分析如下。

地表沉降和拱頂沉降的計算結(jié)果和實測值如圖12、圖13所示。圖12反映的是DBC-1和GDC-1的監(jiān)測數(shù)據(jù)及對應(yīng)位置的數(shù)值模擬結(jié)果，圖13反映的是DBC-2和GDC-2的監(jiān)測數(shù)據(jù)及對應(yīng)位置的數(shù)值模擬結(jié)果。由圖可以看出，開挖到掌子面前地表沉降比較小；掌子面穿過斷面一定距離后，對該斷面的地表沉降和拱頂沉降的影響變小。

在將監(jiān)測值與數(shù)值模擬值作對比時，對模擬結(jié)果作了以下兩個方面的處理：

1）數(shù)值模擬時施工步包括了右線開挖和左線開挖的全過程，然而現(xiàn)有的監(jiān)測資料僅包含本條線路開挖對自身變形影響，因此數(shù)值模擬結(jié)果將另一條線開挖的影響歸零，僅考慮本條線開挖造成的階段位移；

2）由圖12、圖13可知，拱頂沉降是在初支做好后才開始測量，存在測前損失量，因此將有限元的拱頂沉降值中包含的測前損失值歸零后進行比較。GDC-1、GDC-2的測前損失值分別為1.5 mm和2.1 mm。

經(jīng)過以上兩個方面的合理處理后，可以看出監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值結(jié)果吻合度較高，僅在“開挖至掌子面”附近有較大差異，而后漸漸趨于一致。這是因為有限元計算時，一次開挖后會瞬間達到力學上的平衡，然而實際過程中，達到這一平衡需要一定的時間，但隨著時間的推移，有限元的計算結(jié)果能夠反映實際的變形。

圖12 右線人防段拱頂沉降、地表沉降隨時間變化監(jiān)測值和模擬值Fig.12 Monitoring values and analog values of the dome settlement,surface subsidence with time change in the right side of the air defense section

圖13 左線人防段拱頂沉降、地表沉降隨時間變化監(jiān)測值和模擬值Fig.13 Monitoring values and analog values of the dome settlement,surface subsidence with time change in the left side of the air defense section

綜合對比監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬沉降數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：當施工掌子面到達量測斷面前后時，地表沉降速率較大，與模擬的開挖過程大體相同。后續(xù)開挖引起的地表沉降速率比較平緩，沉降值基本不變，在不考慮相鄰線的影響時，最終的人防段地表沉降值監(jiān)測數(shù)據(jù)在7.1 mm左右，拱頂沉降值分別為6.4 mm和11.1 mm（考慮測前損失后）。

5 結(jié)論

本文以青島某地鐵人防段開挖工法為背景，通過數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，對采用不同工法引起的地表沉降和隧道變形進行討論，得到如下結(jié)論：

1）在IV級圍巖中，CD法控制變形的能力要強于臺階法，采用CD法施工引起的地表沉降約為采用臺階法時的78.9%，引起的拱頂沉降約為58.6%；兩種工法引起的凈空收斂均較小。

2）在IV級圍巖中，人防段采用臺階法時，產(chǎn)生的地表沉降、拱頂沉降、凈空收斂分別為8.5 mm，11.8 mm和3.1 mm，滿足變形控制要求；另外臺階法相較于CD法，可以減少工序轉(zhuǎn)換，加快進度，縮減工期。因此在IV級圍巖中，對于類似于人防段這種小長度大斷面區(qū)間，可以與正線隧道同樣采用臺階法開挖。

3）人防段僅有9 m，長度較短，圍巖的空間效應(yīng)較強，因此使用臺階法可以滿足變形控制要求，如果大斷面隧道長度較長，空間效應(yīng)對圍巖的約束作用將顯著減小，拱頂沉降和地表沉降顯著增大，此時應(yīng)進一步分析大斷面不變換工法的可行性。

[1]岳陽.地鐵區(qū)間CRD法與臺階法施工工法比選分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2015（6）：116.

[2]姚偉振.淺埋暗挖法地鐵隧道土方開挖施工技術(shù)[J].價值工程，2015（12）：146-148.

[3]張潔溪，郭福成，雷剛.上軟下硬地層淺埋暗挖工法適應(yīng)性模擬[J].地下空間與工程學報，2011（S1）：1415-1421.

[4]王暖堂，陳瑞陽，謝菁.城市地鐵復雜洞群淺埋暗挖法施工技術(shù)[J].巖土力學，2002（2）：208-212.

[5]刁志剛，李春劍.大斷面隧道在上軟下硬地層中施工方法研究[J].隧道建設(shè)，2007（S2）：433-436.

[6]肖廣智.北京地鐵天安門西站設(shè)計施工方案比選及優(yōu)化[J].隧道建設(shè)，1999（2）：22-28.

[7]楊仲杰.地鐵隧道大跨斷面施工技術(shù)[D].西南交通大學，2005：25-30.

[8]蘇斌.復雜地質(zhì)條件下長、大暗挖區(qū)間隧道下穿地面建筑物施工技術(shù)[J].鐵道建筑，2006（2）：48-50.

[9]刁心宏，朱陳，于洋.不同開挖方案下隧道圍巖穩(wěn)定性及變性特征分析[J].華東交通大學學報，2017，34（1）：21-27.

[10]谷拴成，黃榮賓.CRD法和臺階法施工對地鐵隧道圍巖變形的影響[J].建筑科學與工程學報，2014（1）：111-119.

[11]苗潤前.城市地鐵大斷面隧道中洞法、雙側(cè)壁導坑法施工技術(shù)[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2006（2）：98-99.

[12]馬天文.南京地鐵南京站～東井亭區(qū)間渡線段隧道施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003（2）：25-27.

[13]閔書.隧道超前小導管注漿預(yù)加固數(shù)值分析[D].重慶：重慶大學，2013：15-36.

[14]賈建波，焦蒼，范鵬.天津地鐵淺埋暗挖隧道地表變形分析[J].隧道建設(shè)，2006（1）：18-20+24.

[15]于學馥，鄭穎人.地下工程圍巖穩(wěn)定分析[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1983：337-341.

[16]朱維中，張玉軍，任偉中.系統(tǒng)錨桿對三峽船閘高邊坡巖體加固作用的塊體相似模型試驗研究[J].巖土力學，1996，17（2）：l-6.

Study on Excavation Method for Air Defense Section of Mine Tunnel

Chen Kai1，Gong Quanmei1，Yu Zheng1，Liu Yi2
（1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.Communication Engineering Construction Branch of CCCC Third Harbor Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200940，China）

Due to the fact that the air defense section has a large size in the mine tunnel，a different excavation method is usually adopted to ensure the construction safety.However,the air defense section is short in length，which results in frequent switching of the excavation methods in short distance，greatly reducing the construction efficiency.Based on the air defense section of a metro line in Qingdao，this paper investigated the effects of the same method(the step method)and different construction method(the CD method)on the vault crown settlement，ground settlement and clearance convergence through finite element calculation and field measurement.The results showed that the step method is suitable for the air defense section with short length and large cross section，in IV-level surrounding rocks，which may provide reference for some similar projects.

air defense section of subway；mine tunnel；comparison of excavation method；numerical simulation；measured data

TU443

A

（責任編輯 王建華）

1005-0523（2017）04-0029-09

2017-03-28

陳凱（1992—），男，碩士研究生，主要從事城市軌道交通研究。

宮全美（1967—），女，教授，博士，博導，研究方向為軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與施工技術(shù)、線路工程系統(tǒng)動力學。