砂卵石地層礦山法施工隧道掌子面穩定性評價方法

王玉鎖 陽超 張雪松 張浩 何鎖宋

（1.西南交通大學土木工程學院，成都610031；2.中鐵北京工程局集團城市軌道交通工程有限公司，合肥230088）

地鐵因具有安全快捷、節約土地等優點成為解決城市交通問題的首選［1］。采用淺埋暗挖法修建地鐵聯絡通道或隧道的工程很多［2-6］。成都、北京、廣州等城市均存在大量砂卵石地層，砂卵石地層圍巖穩定性對施工振動十分敏感，徑向錨桿施作困難且效果不佳，掘進速度慢，施工風險高。為解決這個問題，須先對掌子面的穩定性進行判別，再采取相應的開挖和支護措施。本文引入砂類土圍巖基本質量指標SBQ（Sandy Soil Surrounding Rock Basic Quality Index）［7］和卵石土圍巖基本質量指標GBQ（Gravel Soil Surrounding Rock Basic Quality Index），對砂卵石地層隧道掌子面穩定性進行評價。

1 圍巖基本質量指標的提出

SBQ是基于土的摩爾-庫侖強度理論提出的。文獻［7］通過室內試驗和相關分析得出

式中：c為砂類土的黏聚力，kPa；γ為砂類土的重度，kN/m3；φ為砂類土的內摩擦角，°；H為隧道埋深，取20 m。

可以看出，SBQ是一個無量綱量，涵蓋了砂類土的抗力及荷載效應，將剪切強度指標c，φ與γ有機結合在一起，反映砂類土的力學特性。此值越大，說明土體穩定性越好。

因卵石土和砂類土均具有顆粒材料性質，因此參照SBQ，采用GBQ表征卵石土的力學特性。其計算公式為

式中：c′為卵石土的黏聚力，kPa；γ′為卵石土的重度，kN/m3；φ′為卵石土的內摩擦角，°；H′為隧道埋深，取20 m。

2 計算模型及參數選取

利用數值模擬方法，研究SBQ，GBQ值與隧道掌子面穩定性的關系。

2.1 數值模型

依托工程穿越砂卵石地層，平均覆土厚約10 m，洞周最大水平跨度6.7 m，覆土厚與跨度之比（覆跨比）約1.5。隧道橫斷面如圖1所示。

根據隧道設計情況，利用FLAC軟件建立隧道開挖計算模型。考慮到邊界效應的影響，洞周水平方向及隧道底部向下均取約3倍洞徑，模型長、寬、高分別為50，20，39 m。土層分為上下兩層，上層為雜填土，厚3.2 m；下層為砂卵石土，厚35.8 m。模型（圖2）上表面為自由邊界，側面及底面均施加法向約束。

圖1 隧道橫斷面示意（單位：mm）

圖2 隧數值模型（單位：mm）

2.2 計算參數

隧道初期支護采用實體單元模擬，其力學參數按照抗彎剛度等效法進行計算。雜填土的力學參數參照勘查報告確定。碎石土包括卵石土［8］，因此隧道穿越的砂卵石地層物理力學參數可根據TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》［9］中砂類土、碎石土物理力學參數確定，本文選取建議范圍的中間值。計算工況包括砂類土圍巖Ⅳ2，Ⅴ1，Ⅴ2，Ⅵ級及卵石土圍巖Ⅳ2，Ⅴ1，Ⅴ2級。各工況計算參數見表1。

表1 各工況計算參數

數值模擬時隧道采用全斷面法開挖，開挖進尺0.5 m，初期支護采用φ8鋼筋網（雙層）@0.2 m×0.2 m+30 cm厚C25噴射混凝土+間距0.5 m鋼拱架，其力學參數按等剛度換算。初期支護及雜填土的力學參數見表2。

表2 初期支護及雜填土的力學參數

2.3 模擬結果與分析

2.3.1 砂類土地層隧道掌子面穩定性

開挖到10 m時，工況1—工況4隧道掌子面變形情況分別見圖3—圖6。

圖3 工況1掌子面縱斷面變形云圖（SBQ=0.79）

圖4 工況2掌子面縱斷面變形云圖（SBQ=0.64）

圖5 工況3掌子面縱斷面變形云圖（SBQ=0.53）

圖6 工況4掌子面縱斷面變形云圖（SBQ=0.32）

從圖3（a），圖4（a），圖5（a），圖6（a）可以看出：①SBQ為0.79時最大水平位移位于掌子面中心，其值為1.23 cm，掌子面能保持穩定；②SBQ減小到0.64時最大水平位移位于掌子面上方，其值為15.03 cm；③SBQ減小到0.53和0.32時掌子面一經開挖位移便急劇增大，因變形過大計算中止時最大水平位移分別達到1.9，1.3 m，此時掌子面已失穩破壞。

從圖3（b），圖4（b），圖5（b），圖6（b）可以看出：①SBQ為0.79時隧道拱頂最大沉降7.54 mm，底板最大隆起3.90 mm，均未超出GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》［10］中控制值（初期支護拱頂沉降和底板豎向位移控制值分別為20，10 mm），說明洞身穩定性較好；②SBQ減小到0.64時，拱頂最大沉降約7 cm已超限，掌子面前方變形相對較大的圍巖區呈楔形；③SBQ減小到0.53和0.32時掌子面已塌落破壞。

綜上可知，覆土厚10 m、覆跨比約1.5，在砂類土地層中采用全斷面法開挖，SBQ≥0.79（Ⅳ2級及穩定性更好圍巖）時掌子面能夠自穩，為保證施工安全，建議采用臺階法或臺階法+留核心土的方法開挖；0.64≤SBQ＜0.79（Ⅴ1級圍巖）時初期支護及掌子面變形較大，須采取臺階法+留核心土的方法開挖；SBQ＜0.64（Ⅴ2級及穩定性更差圍巖）時掌子面極有可能失穩破壞，須采取超前支護+臺階法+留核心土的方法開挖，并加強監控量測，以保證隧道施工安全。

2.3.2 卵石土地層隧道掌子面穩定性

開挖到10 m時，工況5—工況7隧道掌子面變形情況分別見圖7—圖9。

圖7 工況5掌子面縱斷面變形云圖（GBQ=1.11）

圖8 工況6掌子面縱斷面變形云圖（GBQ=0.87）

圖9 工況7掌子面縱斷面變形云圖（GBQ=0.67）

從圖7（a），圖8（a），圖9（a）可以看出：GBQ為1.11時最大水平位移位于掌子面中心，其值為4.1 mm，掌子面穩定性好。GBQ減小到0.87時最大水平位移同樣位于掌子面中心，其值為9.2 mm，變形較小，掌子面穩定性仍較好。GBQ減小到0.67時，掌子面一經開挖便失穩破壞，因變形過大計算中止時最大水平位移達到2.2 m。

從圖7（b），圖8（b），圖9（b）可以看出：GBQ為1.11，0.87時，隧道拱頂最大沉降分別為2.97，8.46 mm，底板最大隆起分別為1.34，1.22 mm，兩者均未超出GB 50911—2013中控制值，表明洞身穩定性好。GBQ下降到0.67時掌子面無法保持穩定，失穩破壞情況與砂類土類似。

綜上可知，覆土厚10 m、覆跨比約1.5，在卵石土地層中采用全斷面法開挖，GBQ≥0.87（Ⅴ1級及穩定性更好圍巖）時掌子面可自穩，為安全可靠，建議采用臺階法或臺階法+留核心土的方法開挖；GBQ＜0.87（Ⅴ2級及穩定性更差圍巖）時掌子面極有可能失穩破壞，須采取超前支護+臺階法+留核心土的方法開挖，并加強監控量測，保證隧道施工安全。

3 工程實踐

成都地鐵9號線武青車輛段出段線隧道穿越砂卵石地層，實際施工時主要為卵石土，圍巖級別為Ⅴ1，Ⅴ2級。Ⅴ1級圍巖段采用臺階法+留核心土的方法開挖；Ⅴ2級圍巖段采用超前管棚支護+臺階法+留核心土的方法開挖。初期支護采用φ8鋼筋網（雙層）@0.2 m×0.2 m+30 cm厚C25噴射混凝土+間距0.5 m鋼拱架。掌子面穩定性較好，初期支護及二次襯砌安全，隧道順利貫通。說明本文所提出的砂卵石地層隧道掌子面穩定性評價方法合理可行。

4 結論

1）同一圍巖級別（亞級）下砂類土和卵石土物理力學性質有差異，應分別采用SBQ和GBQ對隧道掌子面穩定性進行評價。同一圍巖級別（亞級）下GBQ＞SBQ，卵石土圍巖穩定性優于砂類土圍巖。

2）覆土厚10 m、最大開挖跨度6.7 m，圍巖為砂類土，SBQ≥0.79（Ⅳ2級及穩定性更好圍巖）時掌子面可以自穩，為保證施工安全可靠，建議采用臺階法+留核心土的方法開挖；0.64≤SBQ＜0.79（Ⅴ1級圍巖）時須采用臺階法+留核心土的方法開挖；SBQ＜0.64（Ⅴ2級及穩定性更差圍巖）時掌子面極有可能失穩破壞，須采取超前支護+臺階法+留核心土的方法開挖。

3）覆土厚10 m、最大開挖跨度6.7 m，圍巖為卵石土，GBQ≥0.87（Ⅴ1級及穩定性更好圍巖）時掌子面可以自穩，為保證施工安全可靠，可采用臺階法+留核心土的方法開挖；GBQ＜0.87（Ⅴ2級及穩定性更差圍巖）時可能發生失穩破壞，須采取超前支護+臺階法+留核心土的方法開挖，并加強監控量測，以保證施工安全。