淺埋暗挖地鐵隧道開挖工法對(duì)比分析

劉才亮 劉成禹

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

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，在建和即將建設(shè)的地鐵越來(lái)越多。為保證地鐵隧道的順利施工并確保周邊建(構(gòu))筑物的安全，對(duì)于重要的、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜或周邊環(huán)境復(fù)雜的地鐵隧道，需在施工前對(duì)可行的施工方案進(jìn)行對(duì)比分析[1-3]，以選出最優(yōu)的施工方案[4-6]。

目前，我國(guó)在建或規(guī)劃建設(shè)的地鐵隧道埋深一般在10～20 m之間，這一埋深范圍內(nèi)大多是Ⅴ級(jí)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(qū)的淺埋隧道，其圍巖自穩(wěn)能力差，不當(dāng)?shù)氖┕し椒ǔ３ＵT發(fā)嚴(yán)重的地表和周邊建筑變形、開裂，甚至坍塌。因此，對(duì)軟弱圍巖地區(qū)淺埋地鐵隧道的施工方法進(jìn)行對(duì)比分析具有重要的實(shí)際意義。

關(guān)于地鐵隧道淺埋暗挖施工方法，諸多學(xué)者和工程技術(shù)人員已進(jìn)行了相關(guān)研究。任建喜、張引合等[7]采用FLAC數(shù)值分析方法，對(duì)北京奧運(yùn)支線奧林匹克公園站—森林公園站區(qū)間分別采用上下臺(tái)階、上下臺(tái)階留核心土法開挖時(shí)的圍巖及地表變形進(jìn)行對(duì)比分析，得出了該區(qū)段宜采用上下臺(tái)階留核心土法開挖的結(jié)論；谷拴成，黃榮賓[8]以西安地鐵三號(hào)線太白南路—吉祥村暗挖區(qū)間隧道為依托，對(duì)臺(tái)階法和CRD法開挖下圍巖的變形進(jìn)行了對(duì)比分析；高詩(shī)明、張煒閃等[9]基于武漢地鐵2號(hào)線一期工程的黏土地層區(qū)段，對(duì)全斷面法、正臺(tái)階先拱后墻法和預(yù)留核心土法3種開挖工法進(jìn)行對(duì)比分析，得出黏土地層區(qū)段宜采用預(yù)留核心土法開挖的結(jié)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(jìn)行對(duì)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(hù)形式下、V級(jí)圍巖地鐵區(qū)間隧道等5種常用的開挖工法，從圍巖和初期支護(hù)的應(yīng)力、變形以及隧道施工誘發(fā)的地表沉降三方面進(jìn)行對(duì)比分析。

2 計(jì)算條件

采用數(shù)值方法對(duì)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(hù)應(yīng)力、位移及地表變形進(jìn)行計(jì)算，并以此為基礎(chǔ)，開展各種工法的對(duì)比分析[10-15]。

目前，我國(guó)地鐵的埋深大多在10～20 m之間，Ⅴ級(jí)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(hù)基本采用格柵鋼架及噴錨聯(lián)合支護(hù)，拱部120°范圍采用超前小導(dǎo)管預(yù)加固。

為使計(jì)算結(jié)果具有普遍意義，選取的隧道形狀、尺寸、埋深及初期支護(hù)均為目前淺埋暗挖地鐵區(qū)間隧道Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)段的常用參數(shù)。

(1)Ⅴ級(jí)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(hù)參數(shù):格柵鋼架縱向間距0.75 m；砂漿錨桿長(zhǎng)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(dǎo)管預(yù)加固。超前小導(dǎo)管長(zhǎng)3.0 m、環(huán)向間距0.3 m、外插角5°。

淺埋暗挖地鐵區(qū)間隧道Ⅴ級(jí)圍巖段可能采用的開挖工法主要有:上下臺(tái)階、上下臺(tái)階留核心土、上下臺(tái)階加臨時(shí)仰拱、三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱、單側(cè)壁導(dǎo)坑法5種。各種工法的隧道橫向施工參數(shù)如圖1所示；臺(tái)階縱向長(zhǎng)度均為6.0 m(單側(cè)壁導(dǎo)坑時(shí)，各開挖部的縱向間距為6.0 m)，單循環(huán)進(jìn)尺均為1.0 m。

3 數(shù)值模型建立

圍巖的物理力學(xué)參數(shù)參考《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》、《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中Ⅴ級(jí)圍巖的指標(biāo)選取(見表1)。巖土體采用摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則。

表1 巖土體的物理力學(xué)參數(shù)

將鋼拱架和噴射混凝土作為一個(gè)整體，采用板單元進(jìn)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(jìn)行模擬。初期支護(hù)的力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 初期支護(hù)力學(xué)參數(shù)

采用三維數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算。為減小邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，模型兩側(cè)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(zhǎng)，模型縱向取48 m。模型底部及兩端均設(shè)為固定邊界。

圖1 各種工法的隧道橫向施工參數(shù)(單位：m)

圖2 單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖時(shí)模型正面

圖3 單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖時(shí)初期支護(hù)、臨時(shí)支撐及超前支護(hù)

4 不同開挖工法的對(duì)比分析

根據(jù)不同開挖工法下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提取隧道施工過(guò)程中的圍巖位移、圍巖及初期應(yīng)力以及地表沉降，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行各開挖工法的對(duì)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(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同施工工法下圍巖最大位移的計(jì)算結(jié)果 mm

由表3可得出如下結(jié)論。

(1)5種方法在控制拱頂下沉方面沒(méi)有明顯差異。

(2)單側(cè)壁導(dǎo)坑法的底板隆起、凈空收斂最小，上下臺(tái)階法的最大；上下臺(tái)階、上下臺(tái)階留核心土、上下臺(tái)階加臨時(shí)仰拱、三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法的底板隆起分別是單側(cè)壁導(dǎo)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(cè)壁導(dǎo)坑法的1.39倍、1.35倍、1.22倍和1.01倍。

(3)三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱的水平收斂最小，上下臺(tái)階法的最大；上下臺(tái)階、上下臺(tái)階留核心土、上下臺(tái)階加臨時(shí)仰拱、單側(cè)壁導(dǎo)坑法的水平收斂分別是三臺(tái)階加臨時(shí)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?yàn)?三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱＞單側(cè)壁導(dǎo)坑＞上下臺(tái)階加臨時(shí)仰拱＞上下臺(tái)階留核心土＞上下臺(tái)階。

(5)采用上下臺(tái)階施工時(shí)，設(shè)置臨時(shí)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(tái)階加臨時(shí)仰拱法和單側(cè)壁導(dǎo)坑法相差無(wú)幾，但三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法的水平收斂明顯小于單側(cè)壁導(dǎo)坑法。這說(shuō)明在控制圍巖豎向位移方面，三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法和單側(cè)壁導(dǎo)坑法相差無(wú)幾，在控制圍巖水平位移方面，三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法優(yōu)于單側(cè)壁導(dǎo)坑法。

4.2 不同開挖方法下的圍巖及初期支護(hù)應(yīng)力

不同工法下，圍巖及初期支護(hù)的最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4。計(jì)算結(jié)果表明，隧道施工過(guò)程中圍巖最大應(yīng)力出現(xiàn)在底板或先導(dǎo)坑拱腳，最大應(yīng)力方向?yàn)樗淼罊M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(hù)應(yīng)力最大值

由表4可得出如下結(jié)論。

(1)對(duì)于圍巖最大水平應(yīng)力，除單側(cè)壁導(dǎo)坑法出現(xiàn)在先導(dǎo)坑拱腳處外，其余4種工法均出現(xiàn)在底板，表現(xiàn)為水平擠壓；按圍巖最大水平應(yīng)力數(shù)值排序?yàn)?三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱＜單側(cè)壁導(dǎo)坑＜上下臺(tái)階加臨時(shí)仰拱＜上下臺(tái)階＜上下臺(tái)階留核心土。

(2)圍巖最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在邊墻，三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱的最小，上下臺(tái)階法的最大。上下臺(tái)階、上下臺(tái)階留核心土、上下臺(tái)階加臨時(shí)仰拱、單側(cè)壁導(dǎo)坑法的最大剪應(yīng)力分別是三臺(tái)階加臨時(shí)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(hù)最大拉、壓應(yīng)力分別出現(xiàn)在拱頂和拱腰；拱腰的最大壓應(yīng)力均小于混凝土的抗壓強(qiáng)度；對(duì)于拱頂?shù)淖畲罄瓚?yīng)力，三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱最大，上下臺(tái)階加臨時(shí)仰拱最小，上下臺(tái)階、上下臺(tái)階留核心土、三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱、單側(cè)壁導(dǎo)坑法的初期支護(hù)最大拉應(yīng)力分別是上下臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法的1.93倍，1.64倍，2.14倍和1.57倍。

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

(5)三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱工法下的圍巖最大水平應(yīng)力、最大剪應(yīng)力均略小于單側(cè)壁導(dǎo)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(lái)，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(biāo)見表5。

由圖4、表5可看出:

(1)上下臺(tái)階、上下臺(tái)階留核心土和上下臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法的沉降槽單側(cè)寬度均在40 m左右；相較于上述3種施工方法，三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱和單側(cè)壁導(dǎo)坑法的沉降槽寬度略小(約為前述設(shè)上下臺(tái)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(biāo)

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

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

(4)單側(cè)壁導(dǎo)坑法與三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法在地表沉降最大值、沉降槽寬度方面均無(wú)明顯差異。

5 結(jié)論

(1)單側(cè)壁導(dǎo)坑法和三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法在控制圍巖應(yīng)力、圍巖變形及地表沉降方面均優(yōu)于上下臺(tái)階法和上下臺(tái)階留核心或加臨時(shí)仰拱法。在圍巖軟弱且對(duì)地表變形要求高的區(qū)段宜采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法或三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法。

(2)單側(cè)壁導(dǎo)坑法和三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法在控制圍巖應(yīng)力、圍巖豎向位移及地表沉降方面均無(wú)明顯差異，可從便于施工的角度進(jìn)行選擇；但在圍巖水平位移要求高的區(qū)段，宜優(yōu)先選用三臺(tái)階加臨時(shí)仰拱法。

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