淺埋暗挖地鐵隧道開挖工法對比分析

劉才亮 劉成禹

(1.東南沿海鐵路福建有限責任公司，福建福州 350008；2.福州大學，福建福州 350116)

1 概述

隨著我國經濟社會的不斷發展，在建和即將建設的地鐵越來越多。為保證地鐵隧道的順利施工并確保周邊建(構)筑物的安全，對于重要的、地質環境復雜或周邊環境復雜的地鐵隧道，需在施工前對可行的施工方案進行對比分析[1-3]，以選出最優的施工方案[4-6]。

目前，我國在建或規劃建設的地鐵隧道埋深一般在10～20 m之間，這一埋深范圍內大多是Ⅴ級圍巖，暗挖法是這類地鐵隧道施工的常用方法之一。軟弱圍巖地區的淺埋隧道，其圍巖自穩能力差，不當的施工方法常常誘發嚴重的地表和周邊建筑變形、開裂，甚至坍塌。因此，對軟弱圍巖地區淺埋地鐵隧道的施工方法進行對比分析具有重要的實際意義。

關于地鐵隧道淺埋暗挖施工方法，諸多學者和工程技術人員已進行了相關研究。任建喜、張引合等[7]采用FLAC數值分析方法，對北京奧運支線奧林匹克公園站—森林公園站區間分別采用上下臺階、上下臺階留核心土法開挖時的圍巖及地表變形進行對比分析，得出了該區段宜采用上下臺階留核心土法開挖的結論；谷拴成，黃榮賓[8]以西安地鐵三號線太白南路—吉祥村暗挖區間隧道為依托，對臺階法和CRD法開挖下圍巖的變形進行了對比分析；高詩明、張煒閃等[9]基于武漢地鐵2號線一期工程的黏土地層區段，對全斷面法、正臺階先拱后墻法和預留核心土法3種開挖工法進行對比分析，得出黏土地層區段宜采用預留核心土法開挖的結論。

以往研究多聚焦于某種特定的地層(如黏土、黃土等)，且主要從圍巖變形和地表沉降角度進行對比分析，選取的工法也較少。

為此，選取典型埋深、典型斷面及支護形式下、V級圍巖地鐵區間隧道等5種常用的開挖工法，從圍巖和初期支護的應力、變形以及隧道施工誘發的地表沉降三方面進行對比分析。

2 計算條件

采用數值方法對淺埋暗挖地鐵隧道5種常用開挖工法下的圍巖及初期支護應力、位移及地表變形進行計算，并以此為基礎，開展各種工法的對比分析[10-15]。

目前，我國地鐵的埋深大多在10～20 m之間，Ⅴ級圍巖段毛洞寬度大多在6.4 m左右、高度大多在6.8 m左右，初期支護基本采用格柵鋼架及噴錨聯合支護，拱部120°范圍采用超前小導管預加固。

為使計算結果具有普遍意義，選取的隧道形狀、尺寸、埋深及初期支護均為目前淺埋暗挖地鐵區間隧道Ⅴ級圍巖區段的常用參數。

(1)Ⅴ級圍巖，埋深15 m，隧道形狀為帶仰拱的3心圓洞室，毛洞寬6.4 m，高6.8 m。

(2)初期支護參數:格柵鋼架縱向間距0.75 m；砂漿錨桿長3.5 m，間距1.2 m×1.0 m，梅花形布置；噴射C25混凝土，厚0.3 m。

(3)拱部120°范圍采用超前小導管預加固。超前小導管長3.0 m、環向間距0.3 m、外插角5°。

淺埋暗挖地鐵區間隧道Ⅴ級圍巖段可能采用的開挖工法主要有:上下臺階、上下臺階留核心土、上下臺階加臨時仰拱、三臺階加臨時仰拱、單側壁導坑法5種。各種工法的隧道橫向施工參數如圖1所示；臺階縱向長度均為6.0 m(單側壁導坑時，各開挖部的縱向間距為6.0 m)，單循環進尺均為1.0 m。

3 數值模型建立

圍巖的物理力學參數參考《鐵路隧道設計規范》、《公路隧道設計規范》中Ⅴ級圍巖的指標選取(見表1)。巖土體采用摩爾—庫侖準則。

表1 巖土體的物理力學參數

將鋼拱架和噴射混凝土作為一個整體，采用板單元進行模擬。按照等剛度原則，將鋼架的彈性模量折算給噴射混凝土層，折算式為

式(1)中，E為折算后噴射混凝土的彈性模量；E0、Eg分別為噴射混凝土、鋼材的彈性模量；Ag、Ac分別為鋼拱架、噴射混凝土的截面積。

錨桿采用只受拉的桿單元進行模擬。初期支護的力學參數見表2。

表2 初期支護力學參數

采用三維數值模型進行計算。為減小邊界對計算結果的影響，模型兩側邊界取隧道跨度的5倍(取整為40 m)；隧道下方邊界取隧道高度的3倍(取整為20 m)；隧道上邊界為地表，如圖2所示。綜合考慮模型大小及開挖步長，模型縱向取48 m。模型底部及兩端均設為固定邊界。

圖1 各種工法的隧道橫向施工參數(單位：m)

圖2 單側壁導坑開挖時模型正面

圖3 單側壁導坑開挖時初期支護、臨時支撐及超前支護

4 不同開挖工法的對比分析

根據不同開挖工法下的數值計算結果，提取隧道施工過程中的圍巖位移、圍巖及初期應力以及地表沉降，以此為基礎進行各開挖工法的對比分析。

4.1 不同開挖工法下圍巖的最大位移

不同工法下圍巖最大位移的計算結果見表3。

表3 不同施工工法下圍巖最大位移的計算結果 mm

由表3可得出如下結論。

(1)5種方法在控制拱頂下沉方面沒有明顯差異。

(2)單側壁導坑法的底板隆起、凈空收斂最小，上下臺階法的最大；上下臺階、上下臺階留核心土、上下臺階加臨時仰拱、三臺階加臨時仰拱法的底板隆起分別是單側壁導坑法的2.08倍，2.02倍，1.58倍和1.09倍；凈空收斂分別是單側壁導坑法的1.39倍、1.35倍、1.22倍和1.01倍。

(3)三臺階加臨時仰拱的水平收斂最小，上下臺階法的最大；上下臺階、上下臺階留核心土、上下臺階加臨時仰拱、單側壁導坑法的水平收斂分別是三臺階加臨時仰拱法的1.64倍，1.36倍，1.35倍和1.31倍。

(4)按控制底板隆起、凈空收斂和水平收斂作用效果的先后排序為:三臺階加臨時仰拱＞單側壁導坑＞上下臺階加臨時仰拱＞上下臺階留核心土＞上下臺階。

(5)采用上下臺階施工時，設置臨時仰拱可明顯減少底板隆起和凈空收斂變形。

(6)在拱頂下沉、底板隆起、凈空收斂方面，三臺階加臨時仰拱法和單側壁導坑法相差無幾，但三臺階加臨時仰拱法的水平收斂明顯小于單側壁導坑法。這說明在控制圍巖豎向位移方面，三臺階加臨時仰拱法和單側壁導坑法相差無幾，在控制圍巖水平位移方面，三臺階加臨時仰拱法優于單側壁導坑法。

4.2 不同開挖方法下的圍巖及初期支護應力

不同工法下，圍巖及初期支護的最大應力計算結果見表4。計算結果表明，隧道施工過程中圍巖最大應力出現在底板或先導坑拱腳，最大應力方向為隧道橫斷面的水平方向(即σxmax)。

表4 不同施工方法下圍巖及初期支護應力最大值

由表4可得出如下結論。

(1)對于圍巖最大水平應力，除單側壁導坑法出現在先導坑拱腳處外，其余4種工法均出現在底板，表現為水平擠壓；按圍巖最大水平應力數值排序為:三臺階加臨時仰拱＜單側壁導坑＜上下臺階加臨時仰拱＜上下臺階＜上下臺階留核心土。

(2)圍巖最大剪應力均出現在邊墻，三臺階加臨時仰拱的最小，上下臺階法的最大。上下臺階、上下臺階留核心土、上下臺階加臨時仰拱、單側壁導坑法的最大剪應力分別是三臺階加臨時仰拱法的1.47倍，1.32倍，1.16倍和1.04倍。

(3)5種施工方法下，初期支護最大拉、壓應力分別出現在拱頂和拱腰；拱腰的最大壓應力均小于混凝土的抗壓強度；對于拱頂的最大拉應力，三臺階加臨時仰拱最大，上下臺階加臨時仰拱最小，上下臺階、上下臺階留核心土、三臺階加臨時仰拱、單側壁導坑法的初期支護最大拉應力分別是上下臺階加臨時仰拱法的1.93倍，1.64倍，2.14倍和1.57倍。

(4)從控制圍巖應力及初期支護拉應力的角度看，上下臺階加臨時仰拱較上下臺階留核心土效果好。

(5)三臺階加臨時仰拱工法下的圍巖最大水平應力、最大剪應力均略小于單側壁導坑法。

4.3 不同開挖方法下的地表沉降

將不同施工方法下的地表豎向位移提取出來，作出地表沉降曲線，如圖4所示。不同施工方法下，地表沉降的主要指標見表5。

由圖4、表5可看出:

(1)上下臺階、上下臺階留核心土和上下臺階加臨時仰拱法的沉降槽單側寬度均在40 m左右；相較于上述3種施工方法，三臺階加臨時仰拱和單側壁導坑法的沉降槽寬度略小(約為前述設上下臺階的3種工法的0.9倍)。

圖4 不同施工方法下的地表沉降曲線

表5 不同施工方法下地表沉降的主要指標

(2)上下臺階法的地表沉降值最大，三臺階加臨時仰拱的最??；上下臺階、上下臺階留核心土、上下臺階加臨時仰拱法、單側壁導坑法的地表沉降最大值分別是三臺階加臨時仰拱法的1.42倍，1.34倍，1.23倍和1.02倍。

(3)采用上下臺階法施工時，就控制地表沉降而言，增加臨時仰拱比留核心土的效果明顯。

(4)單側壁導坑法與三臺階加臨時仰拱法在地表沉降最大值、沉降槽寬度方面均無明顯差異。

5 結論

(1)單側壁導坑法和三臺階加臨時仰拱法在控制圍巖應力、圍巖變形及地表沉降方面均優于上下臺階法和上下臺階留核心或加臨時仰拱法。在圍巖軟弱且對地表變形要求高的區段宜采用單側壁導坑法或三臺階加臨時仰拱法。

(2)單側壁導坑法和三臺階加臨時仰拱法在控制圍巖應力、圍巖豎向位移及地表沉降方面均無明顯差異，可從便于施工的角度進行選擇；但在圍巖水平位移要求高的區段，宜優先選用三臺階加臨時仰拱法。

(3)上下臺階加臨時仰拱法在控制圍巖應力、圍巖變形及地表沉降方面均明顯優于上下臺階法和上下臺階留核心法。采用上下臺階開挖時，宜架設臨時仰拱。