淺埋地鐵隧道施工引起圍巖變形規律研究

侯豪斌

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

引言

城市地鐵隧道工程由于埋深較淺，隧道開挖常常使地表產生不同程度的沉降，引起地表沉降的因素包括隧道埋置深度、隧道尺寸、地質條件、施工工況、開挖方法及支護措施等。

1969年，Peck[1]提出了估算隧道施工造成地表沉降的公式。1981年，Attewell[2]假定沉降槽曲線近似正態分布，主張影響橫向沉降槽寬度系數的因素包括隧道尺寸、地層強度及埋置深度。1982年，O'Reilly和New[3]根據盾構法開挖隧道引起的沉降情況，對監測數據進行多元線性回歸分析，得出隧道外半徑與沉降槽寬度系數并沒有太強的聯系，而隧道埋置深度與該系數密切相關。

北方交通大學張彌[4]等開發的專家系統可以用來預測地表沉陷，該系統得到了較為廣泛的推廣及應用。李特威尼申提出了隨機介質理論，為地層移動問題的解決提供了理論依據。劉寶深[5]等進一步研究隨機介質理論，使其應用于隧道施工引起的地表沉降的預測。吳波[6]等通過有限元模型和離心試驗等分析了復雜環境下的隧道施工對地表沉降的影響。姚宣德[7]等分析了大量的監測數據，給出了大跨度地鐵隧道開挖造成的沉降控制的建議值。

由于隧道圍巖與支護結構存在高度非線性，隧道開挖過程存在分期分塊的特點，合理選取開挖方式和支護結構，從而產生最佳效益是地下工程追求的目標之一，數值模擬方法是實現該目標的有效途徑。1995年，朱維申[8]等對某水電站地下結構施工順序進行了優化。國內外學者通過大量的實踐研究，也認識到不同施工路徑對施工效益存在影響。

地下工程開挖的過程中，地表會發生沉降，甚至產生破壞作用。深入研究隧道開挖方法，有效控制地表沉降是國內外學者共同關注的課題。

王夢恕院士[9]在新奧法原理的基礎上，提出了淺埋暗挖的十八字方針—“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤測量”。吳應明[10]等提出淺埋暗挖隧道施工中影響地表下降及地層變形的因素包括：圍巖特性、隧道疊加效應、施工工法、地下水、開挖進尺、襯砌性質等，并提出了遵循“十八字”原則、改善土體特性、適度降低地下水位、根據地層條件選擇開挖方法、增大左右線并行開挖面的距離、合理確定開挖進尺、提高施工效率、加強初期支護、及時施作二次襯砌等對策。呂勤、張頂立[10]等結合深圳地鐵一期工程的淺埋暗挖具體工程實例及地質條件,進行土層實驗研究，深入分析地層大變形機理及其影響因素，發現應用地層變形控制原則及相應的綜合技術措施后，地層變形大幅度降低。

1 數值模型

基于Abaqus商業有限元軟件，以某地鐵隧道為背景，建立地層結構模型，研究不同施工方法影響下，結構受力以及圍巖變形特點。二次襯砌結構厚度 80 cm，初期支護為噴射混凝土，厚度30 cm，材料參數見表1。

表1 數值模型參數

主要考慮臺階法、交叉中隔墻法（CRD法）以及雙側壁導坑法等三種不同方法，見圖1。臺階法首先進行隧道上半部分圍巖開挖，然后進行臨時支護施做，當上臺階超前一定距離后，進行下半部分斷面施工，最后上下臺階同時開挖前進。交叉中隔墻法適用于軟弱圍巖中隧道的開挖，其施工工序見圖1所示，將隧道斷面分割成4個小洞室分別進行開挖，先開挖隧道一側，自上而下進行，遵循短臺階、快成環的施工原則，對控制地表沉降具有顯著效果，多應用于對地表沉降要求較高的城市地鐵隧道。雙側壁導坑法是利用兩個中隔墻將隧道斷面分割成3個小導洞進行，左右兩個鵝蛋形的導洞先進行開挖，及時進行初期支護封閉，然后進行中間斷面開挖。

圖1 施工開挖步序

2 地層變形分析

2.1 臺階法

圖2分別給出了上臺階開挖和全斷面開挖完成后的位移云圖，可以看出，上臺階開挖對地層變形的影響最為顯著，上臺階開挖完成后，拱頂沉降約為4.4 mm，下臺階部分圍巖出現輕微隆起現象，仰拱中心隆起約2.5 mm。下臺階開挖完成后，拱頂沉降增加至5.9 mm。可以得出，上臺階開挖引起的拱頂沉降約占總沉降值的74.6%，說明上臺階施工中應注意臺階超前長度的控制，及時施做初期支護，防治圍巖發生較大變形。

圖2 臺階法施工位移云圖

圖3 給出了施工過程中地表沉降變化情況。上臺階開挖完成后地表沉降值為2.3 mm，與拱頂沉降規律類似，上臺階開挖引起的地表沉降約占總沉降量的70%左右，由此可知，上臺階開挖關系著整個工程的成敗，是控制地表沉降的關鍵。實際工程采用臺階法施工時，可以采取加固措施，以便于有效控制地層沉降。整個斷面開挖完成后，斷面支護結構已經及時封閉成環，地表沉降增量為3.3 mm。另外可以發現，地表沉降槽寬度有所增加，說明橫向影響范圍在增加。

圖3 臺階法施工地表沉降槽

2.2 交叉中隔墻法

圖4 給出了交叉中隔墻法施工過程中圍巖變形云圖。可以看出，交叉中隔壁法施工過程中圍巖變形由非對稱狀態逐漸過渡為對稱狀態。上部兩個導洞完全開挖完成后拱頂沉降會突然增大，同時地表沉降槽也出現顯著增大，這主要是由于上部第二個導洞開挖完成后，隧道洞徑突增一倍，導致地表大范圍沉降。隧道前三個導洞的開挖引起的沉降曲線呈非對稱分布，隧道開挖完成后，地層變形關于隧道中軸線對稱分布，見圖5。總體來講，交叉中隔墻法引起的地表沉降值小于臺階法。

圖4 交叉中隔墻法施工位移云圖

圖5 交叉中隔墻法施工地表沉降槽

2.3 雙側壁導坑法

圖6 給出了雙側壁導坑法施工過程中引起的圍巖豎向位移云圖。可以看出，核心土的開挖是引起沉降控制的關鍵步序，核心土開挖也是采用雙側壁導坑法開挖時控制沉降產生的關鍵步驟，對沉降控制有較大影響。核心土開挖完成后地表沉降值為3 mm，拱頂沉降48 mm，核心土開挖引起的地表沉降約占總沉降量的60%以上。由于核心土的開挖在最后一步，左右導坑開挖引起的地表沉降峰值并不在隧道中心線上，見圖7，類似于小凈距隧道開挖引起的地表沉降曲線。

圖6 雙側壁導坑法施工位移云圖

圖7 雙側壁導坑法施工地表沉降槽

3 不同施工方法對比分析

圖8給出了不同施工方法引起的地表沉降槽。可以看出施工方法不同地表沉降不同，其中臺階法引起的地表變形最大，約為3.3 mm，其次是交叉中隔壁法，雙側壁導坑法引起的地表沉降最小，在控制地表變形方面最有效。但不同方法引起的沉降槽形狀基本一致，沉降槽寬度基本一致。

圖8 地表沉降槽曲線對比

4 結語

通過數值模擬，研究了臺階法、交叉中隔壁法、雙側壁導坑法等不同施工方法作用下，圍巖變形及地表沉降槽變化規律。結果表明：（1）施工方法不同地表沉降不同，其中臺階法引起的地表變形最大，約為3.3 mm。（2）交叉中隔壁法，雙側壁導坑法引起的地表沉降最小，在控制地表變形方面最有效。但不同方法引起的沉降槽形狀基本一致，沉降槽寬度基本一致。