重慶深埋特大斷面隧道變形特征及施工工法比選

朱鵬霖 申玉生 連正 吳康 宗志栓 邱澤剛

1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031；2.中鐵十五局集團有限公司，上海 200040

進入21世紀以來，我國隧道及地下工程得到了前所未有的發展，地鐵、市政等基礎設施建設逐漸向長距離、大跨度、深部發展，對大跨度地下工程施工技術提出了新的要求［1-2］。

學者們對大跨度地下工程施工方法開展了研究，并取得豐碩成果。李博融等［3］采用現場調研和數值模擬方法，研究了不同施工方法下特大跨度層狀巖體隧道的施工動態力學響應規律。李克先等［4］分析拱蓋法、雙側壁導坑法和臺階法的優缺點，給出了硬巖條件下工法選擇建議。羅文斌等［5］通過現場測試和理論分析研究了超大跨度隧道采用中隔壁法施工時中隔壁內力變化規律。姜封國等［6］通過數值模擬和現場監測分析了特大斷面隧道采用雙側壁導坑法和交叉中隔墻法施工時圍巖變形和受力變化規律。關寶樹［7］根據軟弱圍巖隧道變形的基本規律，系統總結了國內外控制隧道開挖后變形的基本對策。

本文以重慶軌道交通18號線歇臺子站為依托，對比深埋條件下不同施工方法所引起的圍巖變形和應力分布，為城市深埋大跨隧道施工方法選擇提供參考。

1 工程概況

重慶軌道交通18號線歇臺子地下工程由歇臺子車站與富華路站—歇臺子站區間隧道組成。由于該工程只有車站部分符合特大斷面隧道特征，因此本文僅研究車站部分。該地下兩層車站（圖1）開挖寬度25.3 m，開挖高度21.8 m，開挖面積492.84 m2。車站拱頂埋深19.65～40.38 m。支護結構設計參數見表1。

圖1 車站的標準斷面（單位：m）

表1 車站支護結構設計參數

車站穿越地層為早二疊世中風化砂巖和砂質泥巖。隧址區地處構造剝蝕丘陵地帶，地貌形態較簡單，巖體裂隙不發育～較發育，地下水總體較貧乏，設計時地下水可不予考慮。

2 數值模擬

2.1 模型建立及參數選取

采用有限元差分軟件FLAC 3D建立模型。考慮開挖影響范圍，模型水平方向取至車站兩邊墻外側3倍開挖跨度。模型尺寸為172.9 m（x）×100.0 m（y）×136.0 m（z），如圖2所示。

圖2 整體計算模型（單位：m）

模型共劃分為220 700個單元和231 336個節點，滿足計算精度的要求。模型左右邊界約束水平位移，底部邊界約束豎向位移，上表面為自由邊界。

依據地勘報告該車站圍巖主要為Ⅳ級軟巖。圍巖物理力學參數見表2。

表2 圍巖物理力學參數

2.2 車站開挖方案

目前特大斷面隧道開挖采用分部開挖法。分部開挖法包括臺階法、環形開挖留核心土法、雙側壁導坑法、中隔壁法、交叉中隔壁（Cross Diaphragm，CRD）法等［8-12］。本文針對該工程特點選定了臺階法、CRD法與雙側壁導坑法三種開挖工法，對比開挖效果。

方案1為不采用臨時支護的臺階法，方案2為采用臨時支護的CRD法，方案3為采用臨時支護的雙側壁導坑法。三種方案開挖順序見圖3。

圖3 車站開挖順序

開挖縱斷面見圖4。其中，Y為數值模型中y=50 m處的監測斷面。隧道按照小斷面的數字順序向前循環開挖，各個小斷面按照順序完成一次開挖為一個循環，循環進尺為1 m。Y′表示一個循環開挖完成時的斷面。隨著隧道開挖Y′不斷往前移動，Y′與Y之間的距離用W表示。

圖4 開挖縱斷面示意

2.3 計算結果對比與分析

施工至25步時，三個方案中的小斷面①均開挖至監測斷面；施工至35步時，方案2中的W=0；當施工至41步時，方案1和方案3中的W=0；施工至47步時，方案1和方案3的Y′斷面到達W=0.5L（L為隧道開挖跨度25.3 m）處，方案2的Y′斷面到達W=1.0L處；施工至53步時，方案1和方案3的Y′斷面到達W=1.0L處，方案2的Y′斷面到達W=1.5L處；施工至59步時，方案1和方案3的Y′斷面到達W=1.5L處。

不同方案下隧道位移隨施工步變化曲線見圖5。

圖5 隧道位移隨施工步變化曲線

由圖5可知：①施工至25步時，隧道拱頂、仰拱和邊墻均已產生位移。②三種方案拱頂沉降曲線最大斜率均出現在41步之前，41～53步拱頂沉降持續增大，在53步之后逐漸趨于平緩，表明隧道拱頂沉降會在一個循環開挖完成后，斷面后方約1.0L（方案3）處逐漸趨于平穩。因此，在特大斷面沒有完全開挖時，各小斷面的支護結構應及時封閉成環，以抑制拱頂沉降持續增大。③仰拱隆起曲線在41步之前仍大幅增加，47步之后迅速趨于平緩，表明隧道仰拱隆起會在一個循環開挖完成后，斷面后方約0.5L（方案3）處趨于穩定。因此，可以在該范圍內采用配重、施作仰拱等措施降低仰拱隆起。④方案3拱頂沉降、仰拱隆起均比其他兩種方案小；方案2和方案3水平收斂曲線接近，而方案1水平收斂相對較大且變形穩定時間延后。

不同方案下襯砌最大主應力對比見圖6。正值表示拉應力，負值表示壓應力。可知：方案1—方案3最大拉應力分別為2.43、3.41、4.56 MPa，最大壓應力分別為0.36、6.14、8.34 MPa。方案3仰拱處拉應力最大，易產生襯砌裂縫，施工時應對襯砌部位進行加強。

圖6 不同方案下襯砌所受最大主應力對比（單位：Pa）

不同方案下監測斷面襯砌彎矩對比見圖7。可知：方案1襯砌彎矩分布基本對稱，左拱肩彎矩最小，右拱腳彎矩最大；方案2襯砌彎矩分布不對稱，右拱腳彎矩最大；與前兩種方案相比，方案3仰拱以及左右拱腳處彎矩大幅增加；三種方案襯砌彎矩最大值均位于拱腳，因此應對隧道拱腳襯砌進行加強。

圖7 不同方案下斷面Y襯砌彎矩對比（單位：kN·m）

由三種方案的對比可知，方案3（雙側壁導坑法）仰拱隆起、拱頂沉降均比其他兩種方案小；方案3襯砌彎矩大于其他兩種方案，是因為拱頂、拱腳和仰拱產生了應力集中，采用雙側壁導坑法施工時應對該部位襯砌予以加強。

3 現場監測

根據三種分部開挖法的分析結果并結合現場實際情況，施工單位選擇了雙側壁導坑法。施工現場共布設4個監測斷面，對應的里程分別為CK12+610、CK12+650、CK12+700、CK12+740。本 文 對 斷 面CK12+610處監測數據進行分析。

3.1 鋼拱架應力

鋼拱架應力時程曲線見圖8。可知：①鋼拱架內、外側受力在0～14 d迅速增長直至穩定。②鋼拱架內外側均處于受壓狀態。最大壓應力為39.4 MPa，位于鋼拱架內側，小于鋼拱架抗壓強度設計值215 MPa，結構處于安全狀態。

圖8 鋼拱架應力時程曲線

3.2 圍巖位移

圍巖位移時程曲線見圖9。其中測點1、測點2和測點3分別距掌子面1、3、5 m。可知：①距掌子面越近圍巖位移越大，3個測點處圍巖位移均是前7 d變化速率較大，之后逐漸趨于穩定。②拱頂沉降、邊墻水平收斂最大值分別為17.48、8.54 mm。

圖9 圍巖位移時程曲線

4 結論

1）城市深埋特大斷面隧道采用分部開挖時，與臺階法和交叉中隔墻法比，雙側壁導坑法拱頂沉降較小，對隧道變形的控制效果較好。

2）采用雙側壁導坑法施工過程中，拱頂沉降在一個循環開挖完成后，斷面后方約1.0倍隧道開挖跨度處逐漸趨于平穩，仰拱隆起在一個循環開挖完成后，斷面后方約0.5倍隧道開挖跨度處趨于穩定。

3）采用雙側壁導坑法施工時襯砌彎矩大于臺階法和交叉中隔墻法，應對隧道拱腳襯砌進行加強。