地鐵暗挖隧道傾斜掌子面開挖研究

余 樂， 黃 柯， 程 毅， 周生波， 張雨帆

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

在地鐵區間的建設中，盾構法占據著主流的地位。固然，盾構法具有高效的掘進速度，對各種地層，尤其是軟弱地層，具有出色的適應能力，同時，盾構機對施工的安全性也是一個強有力的保障。

然而，盾構施工也需要昂貴的設備，同時伴隨著豎井開挖、盾構機吊裝、拼裝等配套工序，這都意味著大量的時間及資金投入。盡管在掘進過程中，盾構法較暗挖法有更低的施工成本和更快的建造速度，但如果僅進行短距離地掘進，其龐大的前期投入勢必使其存在經濟上的弊端。同時，由于盾構隧道斷面基本為圓形，形狀單一，對于區間隧道中斷面變換的需求，其難以適應。

而暗挖法簡單易行，可適應短距離掘進，并可靈活變換圓形、馬蹄形、聯拱等各種斷面形式，因此也作為一種重要的工法在我國地鐵建設中廣泛采用。然而城市地鐵通常埋深較淺，大多處于第四紀軟弱地層中，圍巖欠固結，成拱困難，這都使暗挖施工中常常面臨土體失穩、坍塌的風險。

1 研究背景

1.1 淺埋隧道暗挖施工的穩定性

軟弱圍巖中小埋深隧道的穩定性是一個廣為研究的話題。

日本[1-2]用模型試驗的方法，模擬了覆跨比(H/D，H為隧道覆土厚度，D為隧道跨度)0.5～4的軟弱或砂質地層隧道的開挖過程。研究中發現：隧道開挖時，掌子面同時出現較大的水平及豎向位移，尤其是其上半部，出現了很大的變形，為隧道開挖最危險的區域；施工中隧道拱頂圍巖發生松動，其范圍取決于隧道埋深及斷面尺寸，軟弱或砂質圍巖中拱頂松動區可向上擴展相當于兩倍洞徑的高度。

Oreste等[3]使用FLAC，對覆跨比為1、2、5的隧道進行了3D建模分析。研究認為：對無黏性土，在無地層預加固的情況下，即使覆跨比為2，隧道開挖形成的拱頂塑性區也能貫通至地表；而對黏性土，其塑性區則集中于掌子面前上方，向上擴展有限。

Pierre Chambon等[4]通過離心試驗，對非黏結性土體中隧道掌子面的穩定性進行了研究，描繪了不同埋深下(覆跨比為0.5、1、2、4)掌子面的坍落形狀。坍落區主要位于掌子面前上方，其范圍至掌子面前方0.5D，拱頂上方1D。

對淺埋隧道掌子面的失穩形態，Mair[5]給出了更為一般的概念解釋圖(圖1)，黏土隧道的塌落區在向上擴展的同時范圍逐步變寬；對砂土隧道，其基本沿洞壁垂直向上擴展。

(a) 黏土

(b) 砂土

軟弱地層中的淺埋隧道先天缺乏穩定性，施工中掌子面及其前上方圍巖常常未等開挖即已松動，產生很大地變形，甚至導致坍塌。

1.2 傾斜掌子面開挖工法

在隧道施工中，當屬傳統的直掌子面全斷面開挖法最為方便快捷，但其穩定性也最差，在淺埋隧道中難以直接采用。為提高掌子面穩定性，常常采用臺階開挖或預留核心土，全斷面法則需結合新意法[6]對核心土進行加固才可采用。

改變掌子面形狀也是提高掌子面穩定性的方法，目前這方面有球形掌子面和傾斜掌子面。

英國[7]將傾斜掌子面運用于LaserShell法中，于2002年在倫敦希思羅機場五號航站樓的一條下穿公路隧道的建設中首次采用。其采用傾斜掌子面全斷面開挖，同時用噴射鋼纖維混凝土作為初襯材料以替代鋼拱架和鋼筋網的使用(圖2)。

圖2 英國在LaserShell法中傾斜掌子面開挖

英國目前已用這這種方法完成了多條隧道的建設，由于其采用全斷面替代臺階，減少了襯砌的接點，從而提高了襯砌質量[7]。

而日本[8]則曾在松本隧道的建設中采用傾斜掌子面開挖以防止坍塌，掌子面傾斜約20°，與臺階法相結合，同時運用了掌子面錨桿及噴射混凝土(圖3)。

圖3 日本在松本隧道中所采用的傾斜掌子面

在國內，這種方法未見使用記錄，但關寶樹[9]、趙勇[10]、李鵬飛[11]都曾介紹此工法，認為此法可以改善掌子面受力形態，減小掌子面變形量，提高掌子面穩定性，從而降低掌子面處作業人員的風險。

2 模型計算

2.1 模型建立

隧道斷面選取地鐵暗挖隧道常用的單車道馬蹄形斷面，斷面跨度5.980 m，高度為6.047 m。拱頂覆土厚12 m，覆跨比為2。地層材料選用土質圍巖中巖性較好的碎石土[12]，圍巖分級為V級。在此條件下，隧道開挖往往還需采用超前加固、預支護等措施，但本文旨在研究掌子面傾斜時隧道的受力形態，因此計算中僅考慮了噴射混凝土作初期支護，初支厚0.25 m，各材料參數如表1所示。

表1 計算材料力學參數

計算工況中掌子面傾斜分0°、10°、20°、30°、40°，同時增設了預留核心土環形法工況開挖作為對比(表2)。

表2 模型計算工況

為節省計算成本，模型僅取一半進行計算。所有工況模型縱向長80 m。寬30 m，高45 m，都由約22萬單元構成。

2.2 開挖過程

模型開挖進尺為1 m，為了模擬實際工程中初支施作及其材料達到結構剛度前圍巖發生地變形，初襯距掌子面有1 m的水平距離。傾斜掌子面模型沿隧道開挖方向由三部分組成，依次為：

過渡區I——平均長度30 m，掌子面傾斜角度從0°逐步過渡到工況傾斜角度；

傾斜區——長20 m，隧道在整個區域以工況傾斜角度開挖；

過渡區II——平均長度30 m，掌子面從工況傾斜角度逐步過渡到0°。

最終只討論傾斜區中部(也即模型中部)的計算結果(圖4)。

3 結果分析

3.1 拱頂位移分析

拱頂位移選取各模型中部拱頂正上方點，曲線如圖5所示。

圖5 各工況拱頂沉降曲線

各曲線規律基本相似，拱頂沉降在掌子面前方1～1.5倍洞徑處開始緩慢發展，在掌子面附近變化速率達到峰值，在掌子面后2～3倍洞徑處趨于穩定。增大掌子面傾斜角度可使沉降發展更為滯后，但如果掌子面傾斜角度過大(達40°)或采用預留核心土環形開挖法，則拱頂沉降量在發展中可超過掌子面傾斜角度更低的工況。

拱頂先行位移即為掌子面正上方拱頂的沉降值。一般情況下，拱頂先行位移占總位移的20 %～30 %，但在軟弱圍巖條件下，此值可超過30 %甚至50 %，如不及時支護，則可引發大變形或掌子面拱頂坍塌[9]。

如圖6所示，拱頂先行位移大小受工況影響明顯，增大掌子面傾斜角度或采用預留核心土環形開挖顯著降低了拱頂先行位移占總位移的比例，這對淺埋隧道原本薄弱的掌子面穩定性無疑是很大的改善。但掌子面傾斜角度過大(達40°)時，最終沉降量出現上升，這對隧道結構不利。

3.2 掌子面塑性區分析

各工況下掌子面處塑性區截面及剖面圖如圖7所示。

塑性區延洞周均有分布，當采用直掌子面全斷面開挖時，塑性區主要分布于拱頂上方，在掌子面前0.5D處開始發展，并在掌子面前發展至最大高度，約1.6 m。淺埋隧道的施工中，拱頂圍巖常常在掌子面前方即已出現松動，對開挖后的成拱帶來不利影響，因此在地鐵施工中常常采用超前小導管進行注漿加固。增大掌子面傾斜角度也對拱頂塑性區的發展表現出顯著的抑制作用。

從圖7(f)可看出，預留核心土環形開挖法也可降低拱頂塑性區范圍，故在地鐵隧道的開挖中經常采用。從截面看，其塑性區范圍介于掌子面傾斜角度20°～30°之間。

(b) 掌子面傾斜10°

(d) 掌子面傾斜30°

(e) 掌子面傾斜40°

(f) 預留核心土環形開挖

3.3 掌子面應力路徑分析

應力路徑法由Lambe等[13-14]提出，此法基于莫爾庫倫理論。取某點應力所對應莫爾圓正上方點，記該點坐標為(p,q)，則：p=(σ1+σ3)/2,q=(σ1-σ3)/2。點(p,q)在該點應力歷史中的跡線即構成應力路徑。

將各極限應力狀態所對應點(p,q)連成線即構成kf線(圖8)，該線表達式為：

q=a+ptanα

其與莫爾庫倫理論中f線之間的關系為：

sinφ=tanα

c=acosφ

應力路徑接近kf線意味著其莫爾圓靠近f線，其應力狀態越接近屈服。

本文取拱頂正上方0.75 m處單元，繪其應力路徑如圖9所示。各工況應力路徑發展歷程基本相似，其在掌子面前方最為接近kf線，在到達掌子面位置前p、q值均出現減小，拱頂表現出松動。

圖8 f線與kf線關系示意圖

(a) 掌子面傾斜0° p/kPa

(b) 掌子面傾斜10° p/kPa

(c) 掌子面傾斜20° p/kPa

(d) 掌子面傾斜30° p/kPa

(e) 掌子面傾斜40° p/kPa

(f) 環形開挖預留核心土 p/kPa

在掌子面傾斜角度為0°、10°、20°的全斷面開挖工況中，該點出現屈服，通過增大掌子面傾斜角度可使應力路徑遠離kf線，從而降低圍巖屈服的風險，與之相對應的是拱頂塑性區范圍地減小。預留核心土環形開挖法的應力路徑與掌子面傾斜30°相似。

4 結論

本文運用FLAC 3D，在僅考慮初襯的情況下模擬了不同掌子面傾斜角度下地鐵隧道的開挖過程，得出以下結論：

(1) 與常規的直掌子面全斷面開挖法相比，通過增大掌子面傾斜角度可顯著降低拱頂先行位移，使拱頂應力路徑遠離屈服線，減小拱頂塑性區范圍，這三者相互關聯，使開挖中掌子面和拱頂均表現出更好的穩定性。

(2) 采用預留核心土環形開挖法對三者同樣具有優化作用，其效果介于掌子面傾斜角度20°～30°之間。

(3) 本文條件下當掌子面傾斜角度達40°時拱頂最終沉降量將出現增加，因此掌子面傾斜角度應當限制，并非越大越好，這尚待優化。