大斷面黃土隧道淺埋暗挖法施工力學特性研究

隋金廷

摘要：針對大斷面隧道施工的技術復雜性問題，結合實際的城市軌道交通項目，研究淺埋暗挖法施工力學特性。在傳統雙側壁導坑法基礎上優化施工工藝，提出快速施工法。通過FLAC-3D軟件，分析鋼拱架間距、開挖步距和混凝土厚度對隧道施工穩定性的影響。建議鋼拱架的間距取0.5m或1.0m，開挖步距取1m或2m，噴射混凝土厚度取400mm或者450mm。與傳統雙側壁導坑法相比，快速施工法的位移值較小，應力值略大，但各處應力值均小于材料本身的屈服強度，鋼拱架受力處于安全狀態，隧道施工過程穩定可靠。

關鍵詞：大斷面；黃土隧道；淺埋暗挖；力學特性

0? ?引言

地鐵隧道作為地鐵線路的重要組成部分，其施工質量和安全性直接影響著軌道交通項目的建設效果[1]。近年來，隨著城市規模的不斷擴大和交通壓力的不斷增加，大斷面的地鐵隧道施工項目逐漸增多，相應的施工技術和力學特性更為復雜[2]。本文結合依托實際的城市軌道交通項目，研究大斷面黃土隧道的施工技術和力學特性，提出雙側壁導坑快速施工法，分析施工參數對隧道結構穩定性的影響，為類似工程項目提供有價值的參考。

1? ?工程概況

某城市軌道交通項目隧道工程總長約為21km，項目總造價為87億元。考慮到施工地的黃土地質特點，隧道采用大斷面設計，隧道的斷面寬約25.6m，高度約為19.5m。項目采用淺埋暗挖法施工，為了滿足快速施工需要，項目部擬采用雙側壁導坑法進行開挖。施工區域地質情況如表1所示。

2? ?淺埋暗挖施工法特點

2.1? ?施工高效

可實現同時開挖兩個隧道壁，兩個壁面同時施工，有利于縮短工期[3]。

2.2? ?地面影響小

淺埋暗挖法大部分的施工活動都在地下進行，對地面的干擾和破壞相對較小，降低了對城市功能的影響。

2.3? ?安全性高

該施工方法可以減少地面塌方和土體滑移的風險，從而提高施工的安全性。

2.4? ?適應性廣

淺埋暗挖施工法適用于各種地質條件和地下環境，可用于軟土、黏土、砂土和巖石地層，具有較大的靈活性和適應性。

3? ?快速施工工藝流程

工程項目隧道面積約為420m2，屬于大斷面隧道施工。若采用普通雙側壁導坑法，可分9步開挖。在左右導坑開挖完成后，中間部位的上部土體作業面將處于凌空狀態，高度為12.8m。此時存在較大的施工安全隱患，且施工速度較慢[4]。為了排除施工安全隱患，加快施工進度，在傳統雙側壁導坑法的基礎上，通過優化施工工藝提出快速施工法。快速施工工藝如圖1所示，具體施工內容如表2所示。

隧道挖掘過程中，應盡量減少對周圍土體的擾動。初期支護采用型鋼鋼架或格柵鋼架，掛上鋼筋網片后，立即噴射混凝土，以使斷面盡早形成閉合結構，有效控制拱頂豎向位移和邊墻水平位移[5]，確保施工穩定性和安全性。

4? ?施工參數影響和力學特性分析

雙側壁導坑快速施工法的有關參數對拱頂位移和支護體系應力有重要影響。為了分析得出適合本工程的施工參數，利用FLAC-3D有限元分析軟件，對鋼拱架間距、開挖步距和噴射混凝土厚度三個方面進行數值模擬，并分析力學特性。

4.1? ?鋼拱架間距的影響

根據工程實際情況，設定鋼拱架曲率半徑為23m、導坑寬度為9m、噴射混凝土厚度為300mm，在此工況下分析不同鋼拱架間距對圍巖位移和鋼拱架應力的影響。

4.1.1? ?不同鋼拱架間距條件下位移變化

不同鋼拱架間距條件下，隧道10m斷面處的拱頂豎向位移、邊墻水平位移的變化曲線如圖2所示。由圖2可知，鋼拱架間距為0.5～2.0m的4種工況下，拱頂垂直位移和邊墻水平位移的變化規律基本一致。隨著開挖進度，位移逐漸增大，最終基本穩定。0.5m的鋼拱架間距，拱頂豎向位移最小，穩定在7.3mm，邊墻水平位移穩定在4.2mm。僅從位移變化方面考慮，鋼拱架間距可取0.5m或1.0m。

4.1.2? ?鋼拱架應力與間距關系

隧道10m斷面處，鋼拱架最大應力與鋼拱架間距的關系如圖3所示。由圖3可知，鋼拱架間距為1.5m和2.0m時，最大應力達到235.1MPa和247.6MPa，超過了鋼拱架材料本身的屈服強度，造成安全隱患。因此，建議鋼拱架的間距取0.5m或1.0m。

4.2? ?開挖步距的影響

施工過程中，采取較大的進尺進行開挖，可提高施工效率，縮短工期。但是開挖步距過大往往會帶來安全隱患。不同開挖步距條件下，隧道10m斷面處的拱頂豎向位移、邊墻水平位移的變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，拱頂位移和邊墻水平位移與開挖步距呈現正相關的規律。開挖步距為1.0m或2.0m時，最終的拱頂位移比其它步距明顯減小。這是因為開挖步距較小，對周圍土體的擾動較小，拱頂變形量較小。而邊墻水平位移在較小的開挖步距參數下，最終的穩定值也較小。因此，施工工程中建議以1m或2m作為開挖步距。

4.3? ?噴射混凝土厚度的影響

隧道挖掘施工階段，噴射混凝土形成支護結構，對維持隧道穩定性至關重要。不同混凝土厚度條件下，隧道10m斷面處的拱頂豎向位移、邊墻水平位移的變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，隨著噴射混凝土厚度的增加，初期支護結構的穩定性增強，拱頂豎向位移、邊墻水平位移呈現出變小的趨勢。混凝土厚度為450mm時，拱頂豎向位移穩定值為6.3mm，邊墻水平位移為3.9mm。但過厚的混凝土，會增加施工難度，減緩施工進度。因此，實際施工中，建議噴射混凝土厚度可取為400mm或者450mm。

4.4? ?力學特性分析

快速施工法是在傳統的雙側壁導坑法的基礎上調整開挖順序，提前開挖上部核心土，增加豎向支撐，本文通過力學特性對比分析，以驗證快速施工法的合理性。

4.4.1? ?位移對比分析

2種施工方法下，10m斷面處的拱頂豎向位移、邊墻水平位移值如表3所示。通過表3的對比數據可知，拱頂豎向位移、邊墻水平位移，快速施工法的位移值均小于普通雙側導坑法。由此說明施工過程中，隧道結構穩定，變形較小，安全系數高。

4.4.2? ?鋼拱架應力對比分析

2種施工方法下，10m斷面處的鋼拱架應力如表4所示。由表4可以看出，與普通雙側壁導坑法相比，快速施工法的各點處的應力值略大。2種施工方法的最大應力值均出現在豎向臨時支撐處，但均小于Q235屈服強度，鋼拱架受力處于安全狀態下，隧道施工過程穩定可靠。

通過以上分析可知，雙側導坑快速施工法能有效地控制施工面的凌空高度，施工過程中隧道變形量較小，安全系數高，并能縮短施工周期，實現高效施工。

5? ?結束語

本文結合某城市軌道交通項目，對大斷面隧道施工的力學特性展開研究，得出如下結論：

在傳統雙側壁導坑法基礎上，通過優化施工工藝，提出快速施工法。該方法有利于減少施工過程中的安全隱患，實現高效、安全的大斷面地鐵隧道施工。

通過FLAC-3D軟件，分析鋼拱架間距、開挖步距和混凝土厚度對隧道施工穩定性的影響，建議鋼拱架的間距取0.5m或1.0m，開挖步距取1m或2m，噴射混凝土厚度取400mm或者450mm。

對比分析傳統雙側壁導坑法和快速施工法可知，快速施工法的位移值較小，應力值略大，但各處應力值均小于材料本身的屈服強度，鋼拱架受力處于安全狀態下，隧道施工過程穩定可靠，由此驗證了快速施工法的合理性。

參考文獻

[1] 井洪濤.淺埋暗挖黃土隧道地層及圍巖力學特性變化規律

[J].科學技術與工程，2020，20（29）：12137-12142.

[2] 董建松.城市道路交通荷載對下方淺埋暗挖大斷面隧道動

力響應特征分析[J].福建交通科技，2023，No.203（02）：58-63

+72.

[3] 宗振宇.淺埋暗挖隧道施工對軟弱富水地層變形影響分析

[J].天津建設科技，2022，32（1）：5-9.

[4] 李鵬.大跨度淺埋暗挖隧道安全評估及施工力學分析[J].交

通科技，2021，307（4）：116-120+124.

[5] 連一川.緊鄰建筑物之隧道淺埋暗挖施工變形控制及數值

模擬研究[J].四川水泥，2023，320（4）：230-232.