黃土地區(qū)地鐵雙連拱隧道淺埋暗挖施工變形特征研究
——以西安地鐵5號線停車場出入場線工程為例

郭洪濤,馬甲寬,代家寶,任 翔,劉佳琪

(1.中鐵四局集團有限公司西安分公司,陜西 西安 710077；2.長安大學(xué)，陜西 西安 710061)

0 引言

近年來我國鐵路隧道建設(shè)得到了快速發(fā)展，鐵路運營里程逐年增加，在開通的鐵路線路中，隧道里程占據(jù)了較大的比例，鐵路隧道風(fēng)險及病害發(fā)生的次數(shù)也在不斷增大。二次襯砌作為隧道施工的重要組成環(huán)節(jié)，直接影響著隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及行車安全。由于傳統(tǒng)澆筑工藝的缺陷，導(dǎo)致內(nèi)部襯砌結(jié)構(gòu)強度不足、襯砌厚度不足及襯砌背后空洞，進而引起混凝土開裂、掉塊、脫空、滲漏水等病害。而襯砌混凝土質(zhì)量通病產(chǎn)生的原因主要是隧道襯砌施工工藝、工裝的技術(shù)要求等施工條件不能滿足襯砌質(zhì)量的要求。隨著城市地下空間工程建設(shè)的不斷發(fā)展，各大型城市地下空間工程已形成了一定的規(guī)模，分布錯綜復(fù)雜。在地鐵建設(shè)過程中受到既有地下建筑或管線的限制，如何在有限的地下空間內(nèi)選擇合理的隧道建設(shè)方案已成為城市地鐵建設(shè)過程中需解決的首要難題。雙連拱隧道具有跨度大、空間利用率高、線形順暢及引線占地面積少的優(yōu)點，在平面線路和洞口位置的選擇上均較分離式隧道具有一定的優(yōu)越性，尤其解決了復(fù)雜地段修建分離式隧道所存在的難題。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前雙連拱隧道已成為在特定條件下修建隧道時采用較多的大跨度結(jié)構(gòu)形式[1]。修建雙連拱隧道面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題和主要施工技術(shù)體現(xiàn)在：隧道跨度大，施工工序繁瑣且難度較高，地表沉降影響范圍廣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，襯砌受力變形規(guī)律與單線隧道不同。學(xué)者們針對上述問題開展了大量的研究，并取得了一定成果[2-5]。

汪振偉等[6]就礦山法雙連拱隧道施工引起的地表變形進行研究，在不同施工方法條件下針對不同埋深、斷面大小進行回歸分析，并根據(jù)實測資料提出了礦山法施工條件下地表沉降的預(yù)測公式。趙金鵬等[7]研究了軟弱圍巖淺埋偏壓連拱隧道左右正洞不同開挖布局時的初期支護受力變形規(guī)律。白家設(shè)等[8]結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測和三維數(shù)值模擬方法，研究了雙連拱隧道左右洞各施工步序中支護結(jié)構(gòu)的位移變化規(guī)律，并著重分析了拱頂沉降、邊墻收斂值及變化穩(wěn)定過程。Yan等[9]對雙連拱隧道圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的變形和受力規(guī)律進行了系統(tǒng)分析，并提出了改進雙連拱隧道施工的合理化建議。劉新榮等[10]針對黃土連拱隧道動態(tài)開挖全過程中隧道輪廓位移、圍巖應(yīng)力及壓力拱分布規(guī)律展開了研究，并采用有限差分軟件對開挖過程的位移及壓力拱進一步分析。王凱等[11]以青島膠州灣海底隧道不對稱雙連拱斷面為工程背景，通過FLAC3D模擬和各經(jīng)驗公式計算的地層沉降和水平位移的對比分析，評價FLAC3D軟件和各經(jīng)驗公式在不對稱雙連拱隧道斷面地層變形預(yù)測中的適用性。

整體看來，當(dāng)前關(guān)于雙連拱隧道的研究尚不充分，既有研究也多集中于公路隧道領(lǐng)域，對城市地鐵雙連拱隧道的研究鮮見報道。城市雙連拱隧道斷面一般小于公路雙連拱隧道，既有研究在城市隧道領(lǐng)域適用性有待驗證?？紤]到雙連拱隧道未來在城市地鐵建設(shè)過程中的廣闊應(yīng)用市場，針對性研究亟需開展。因此，本文結(jié)合西安市地鐵5號線停車場出入場線工程，從地表沉降、新建隧道襯砌變形、超鄰近既有隧道的收斂變形等方面開展研究，進一步探索城市地鐵雙連拱隧道力學(xué)行為變化規(guī)律，以期對類似工程提供借鑒。

1 工程背景

1.1 工程簡介

地鐵5號線雁鳴湖停車場出入場線位于西安市長鳴路以東，是停車場與5號線正線之間的延線工程，起始于長鳴路站后區(qū)間，初始段與正線并行。出入場線路行進至MDK0+067.640處與正線區(qū)間結(jié)構(gòu)具備脫開條件，以此為暗挖區(qū)間設(shè)計起點里程，終點里程為MDK0+178.169(共計110.529 m)。5號線正線襯砌結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工完成，左右正線之間凈距為16.6～18.5 m。根據(jù)現(xiàn)場施工條件，出入場線采用雙連拱隧道結(jié)構(gòu)形式，寬度為11.67 m，高度為6.77 m，與左右正線凈距分別為2.35～3.26 m和2.65～3.64 m。雙連拱隧道位置如圖1所示。

圖1 雙連拱隧道位置示意圖(單位：m)Fig.1 Position relationship among tunnels (unit:m)

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況

場地地形起伏較大，可分為2段。其中出入場線起點至安測車間東側(cè)陡坎處(MDK0+135.000)地勢較高，此段為人工堆填形成，填土較厚；安測車間以東地勢較平坦，自西向東地勢略有降低。整個場地勘探點地面高程介于451.23～467.61 m，地貌單元屬浐河Ⅲ級階地。

圖2 地質(zhì)縱剖面圖(單位：m)Fig.2 Geological profile (unit:m)

場地內(nèi)地下潛水穩(wěn)定水位埋深為37.61～39.42 m，相應(yīng)高程為416.00～416.27 m，距離出入場線隧道襯砌底部24.83～29.30 m，可不考慮地下水對本工點的影響。

1.3 施工方案

暗挖段隧道初期支護采用鋼格柵+C25早強噴射混凝土，厚度為30 cm；中隔墻、二次襯砌采用C35防水鋼筋混凝土，厚度為40 cm；隧道設(shè)計過程中，結(jié)合城市地鐵雙連拱隧道開挖面積小于公路雙連拱隧道的結(jié)構(gòu)特點，適當(dāng)放大中導(dǎo)洞開挖面積，加強其對左右洞的分割作用。本工程左洞、中導(dǎo)洞、右洞開挖面積之比約為1∶1.4∶1。

根據(jù)現(xiàn)場條件的變化，暗挖段工程可分為3個區(qū)段：初始段(MDK0+165.754～+178.169)、過渡段(MDK0+127.015～+165.754)、厚填土段(MDK0+67.640～ +127.015)。同時，針對不同區(qū)段采用不同超前支護形式。在初始段采用大管棚形式，管棚選用壁厚8 mm的φ108 mm普通鋼管，長12 m，環(huán)向間距為0.4 m；過渡段與厚填土段分別采用單、雙排超前小導(dǎo)管，導(dǎo)管選用φ42 mm普通鋼管，長3.0 m，環(huán)向間距為0.3 m。以厚填土段為例，隧道結(jié)構(gòu)細部圖如圖3所示。

圖3 厚填土段隧道結(jié)構(gòu)細部圖(單位：mm)Fig.3 Structure details of tunnel in deepfilled section (unit:mm)

本工程采用中導(dǎo)洞+上下臺階法進行開挖，主要施工步驟為：1)開挖中導(dǎo)洞上臺階，澆筑上臺階初期支護；2)開挖下臺階，澆筑下臺階初期支護；3)拆除臨時橫撐，澆筑中隔墻；4)開挖左洞上臺階，澆筑左洞上臺階初期支護；5)開挖左洞下臺階，澆筑左洞下臺階初期支護；6)左洞開挖15 m之后開挖右洞上臺階，澆筑右洞上臺階襯砌；7)開挖右洞下臺階，澆筑右洞下臺階初期支護；8)拆除中導(dǎo)洞左側(cè)壁初期支護；9)澆筑左洞二次襯砌；10)拆除中導(dǎo)洞右側(cè)壁初期支護；11)澆筑右洞二次襯砌。主要施工工序的現(xiàn)場施工圖如圖4所示。施工從2018年12月1日正式開始，到2019年10月14日截止，歷時318 d。主要施工工序時間段如表1所示，以開始日期為第1天，結(jié)束時間為第318天。

(a) 初期支護施工 (b) 側(cè)壁破除

表1 主要工序時間表Table 1 Schedule of main construction process

2 監(jiān)測方案

現(xiàn)場監(jiān)測指標(biāo)主要包括地表沉降、新建隧道拱頂沉降、既有隧道拱腰收斂等，各類測點監(jiān)測頻率皆為1次/d。地表沉降監(jiān)測布置6個斷面A1-A6，第1個斷面位于初始開挖面后1.5 m處，相鄰監(jiān)測斷面間隔10 m，具體監(jiān)測點布設(shè)如圖5所示，圖中A1P1-A6P3表示地表沉降觀測點。隧道初期支護變形監(jiān)測共布置8個斷面B1-B8(受布局限制，未標(biāo)明B1-B8斷面位置)，第1個斷面位于初始開挖面后1.5 m處，即與A1斷面重合，相鄰監(jiān)測斷面間隔15 m，各斷面分別以GL、GM、GR表示左洞、中導(dǎo)洞、右洞拱頂沉降測點。受施工因素等限制，僅在正洞開挖階段(T3)厚填土段布置3個既有隧道拱腰收斂監(jiān)測斷面C1-C3，各斷面分別以CL、CR表示左線、右線的拱腰收斂測點。

(a) 平面圖

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 地表沉降

3.1.1 時變規(guī)律

典型斷面地表沉降測點隨時間變化曲線如圖6所示(圖中方框內(nèi)字母與數(shù)字的組合，M表示中導(dǎo)洞與監(jiān)測斷面的距離，其中數(shù)值為正表示超過監(jiān)測斷面，為負表示未抵達監(jiān)測斷面，下同)。由圖可知，監(jiān)測斷面測點沉降變化時程大致可以分為2個階段：增長階段(GS)及平穩(wěn)波動階段(SS)。其中增長階段在部分?jǐn)嗝嬗挚煞譃檠冈鲭A段(RGS)及緩增階段(SGS)。

各監(jiān)測斷面中，階段分化最為明顯的為A1斷面，其距離初始開挖面約1.5 m，沉降測點從施工開始便進入迅增階段，直至第21天時迅增階段結(jié)束，此時中導(dǎo)洞掌子面距離A1斷面20.5 m，約為中導(dǎo)洞洞徑的4.5倍；之后地表沉降進入緩增階段，本階段中受擾動的圍巖變形逐漸開始穩(wěn)定，但地表沉降量以較小增速增長；第49天地表沉降進入平穩(wěn)波動階段，此時掌子面距離監(jiān)測斷面59 m，之后地表沉降值在某一固定值上下波動，直至正洞開挖再次進入下一個迅增階段。A2斷面受施工場地因素限制，雙連拱隧道正上方的3個測點僅測至第166天，該斷面從第10天開始進入增長階段，之后沉降速率基本保持不變，約第61天時地表沉降進入平穩(wěn)波動階段，此時中導(dǎo)洞掌子面距離A2監(jiān)測斷面58.5 m，超過了10倍的中導(dǎo)洞洞徑。而A5及A6斷面首次進入穩(wěn)定波動階段時，與中導(dǎo)洞掌子面距離分別為29.5、50.5 m。

綜合分析發(fā)現(xiàn)，各斷面地表沉降首次進入穩(wěn)定波動階段時，中導(dǎo)洞掌子面與監(jiān)測斷面距離皆大于5倍中導(dǎo)洞洞徑，即24 m。根據(jù)已有研究可知，隧道開挖影響范圍通常為3～5倍洞徑。出現(xiàn)這種差異的主要原因是土體變形的滯后性，即當(dāng)掌子面超過監(jiān)測斷面一定距離后，即使后續(xù)施工對該斷面已無影響，由于土體固結(jié)變形速度較慢，地表沉降從增長階段進入穩(wěn)定波動階段用時大于5倍洞徑長度開挖用時。因此，在隧道地表沉降監(jiān)測過程中，除掌子面與監(jiān)測斷面的距離之外，同時需考慮隧道施工速度對地表沉降規(guī)律的影響。當(dāng)施工速度較快時，即使掌子面與監(jiān)測斷面的距離超過了5倍洞徑，由于土體變形的滯后性，監(jiān)測斷面處地表沉降值仍可能產(chǎn)生明顯的增加。

在中隔墻施工階段(T2)的第119-143天進行中導(dǎo)洞拱腰處臨時橫撐拆除，而該時段內(nèi)各斷面地表沉降卻基本未產(chǎn)生較大變化。這是因為中導(dǎo)洞初期支護形成閉合環(huán)后，形成了一個穩(wěn)定性較高的支護體系，對圍巖變形起到了較好的控制作用。同時，A6斷面在此期間產(chǎn)生一定的沉降增量，而中導(dǎo)洞各斷面拱頂沉降在本階段并未增加，推斷該增量主要是由圍巖次固結(jié)引起，而非地層損失?？梢哉J為，橫撐拆除產(chǎn)生的影響主要作用于初期支護上，傳遞至圍巖時已基本可以忽略。

進入T3階段后，由于左右正洞施工平均時差僅7 d左右，對于同一監(jiān)測斷面，先行洞穿過監(jiān)測斷面后，后行洞在較短時間內(nèi)再次穿過監(jiān)測斷面，二者施工引起的各沉降階段相互重疊，各斷面地表沉降僅再次出現(xiàn)了一次增長階段。另外，發(fā)現(xiàn)施工最大地表沉降位于A1斷面，為19.66 mm，而其他監(jiān)測斷面最大沉降值基本小于15.00 mm，皆未超過累計控制值20.00 mm；同時，地表沉降最大增速為2.31 mm/d，且普遍小于1.00 mm/d，低于控制變化率3.00 mm/d，滿足施工安全性。

(a) A1斷面

3.1.2 橫斷面分布規(guī)律

根據(jù)Peck[12]研究結(jié)果，隧道開挖引起地表沉降最大值位于隧道軸線上方，水平方向地表沉降服從Gaussian分布，地表沉降曲線可用式(1)-(2)進行描述：

S(x)=Smaxexp[-x2/(2i2)]；

(1)

(2)

式中：x為距離隧道軸線橫向水平距離；S(x)為x位置處的地表沉降量；Smax為隧道軸線上方最大地表沉降量；Vloss為單位長度土體體積損失量；i為地表沉降槽寬度系數(shù)。

正洞開挖前A2斷面地表沉降曲線如圖7所示。由圖可知，隨著中導(dǎo)洞開挖，A2斷面地表沉降已逐漸不符合Gaussian分布，出現(xiàn)了較為明顯的偏差性：地表沉降最大值偏離中導(dǎo)洞軸線正上方，沉降曲線分布形式也變得較為復(fù)雜，在正洞開挖前已趨近雙峰分布(且左右峰不對稱)，與Gaussian分布(或者疊加Gaussian分布曲線)有著明顯的區(qū)別。這是因為A2斷面隧道覆土厚度僅7.0 m左右，屬于超淺埋暗挖隧道工程，地表沉降受圍巖性質(zhì)變異性、地層分布不均勻性、施工干擾、地表隨機荷載等干擾因素的影響更為明顯，甚至足以改變地表沉降的分布形式。因此，預(yù)測淺埋隧道工程地表沉降時，必須考慮各干擾因素對地表沉降分布形式的影響。

圖7 正洞開挖前A2斷面地表沉降曲線Fig.7 Surface settlement curves of section A2 before main tunnel excavation

目前關(guān)于隧道開挖引起地表沉降方面的研究仍多數(shù)基于Peck公式或其變體[13-15]。韓煊等[15]指出對于淺埋或者超淺埋的情況，開挖支護等因素就會明顯影響到地表沉降曲線的形狀，應(yīng)考慮采用更加復(fù)雜的方法進行分析。以本文地表沉降曲線為例，采用Peck公式對其進行預(yù)測的效果并不理想。隨著城市地鐵隧道工程的發(fā)展，淺埋及超淺埋暗挖工程必然會越來越多，如何準(zhǔn)確預(yù)測淺埋隧道工程地表沉降是后續(xù)研究值得關(guān)注的問題。

3.2 襯砌拱頂沉降

3.2.1 中導(dǎo)洞拱頂沉降

中導(dǎo)洞拱頂沉降時程曲線如圖8所示。由圖可知，不同斷面拱頂沉降及拱腰收斂曲線趨勢基本相同，大致分為2個階段：迅增階段、平穩(wěn)波動階段。各監(jiān)測斷面處初期支護施工完成后約15～20 d內(nèi)為迅增階段，拱頂沉降呈現(xiàn)"斷崖式"下沉趨勢；迅增階段結(jié)束時掌子面距離監(jiān)測斷面約15 m，僅3倍中導(dǎo)洞洞徑左右。

(a) B1/B2斷面

與地表沉降變化規(guī)律對比發(fā)現(xiàn)，各斷面初期支護拱頂沉降與地表沉降規(guī)律主要存在以下2點區(qū)別：一是初期支護變形無明顯緩增階段，迅增階段結(jié)束后，拱頂沉降直接進入平穩(wěn)波動階段，而未出現(xiàn)地表沉降變化過程中的緩增階段；二是拱頂沉降進入穩(wěn)定波動階段時，掌子面與監(jiān)測斷面的距離基本在3倍中導(dǎo)洞洞徑左右，小于地表沉降進入穩(wěn)定階段時對應(yīng)的距離。

分析上述現(xiàn)象的原因，主要由初期支護與圍巖力學(xué)性質(zhì)不同所致：初期支護在隧道開挖過程中基本處于彈性狀態(tài)，變形較為迅速，而隧道開挖面附近圍巖已進入塑性變形階段，重新進入穩(wěn)定階段歷時較長。迅增階段結(jié)束后，隧道附近圍巖進入了類蠕變狀態(tài)，雖作用于初期支護上的應(yīng)力已基本不變，但變形仍未穩(wěn)定，進而引起地表沉降緩慢增加，需經(jīng)歷較長時間才能完全進入穩(wěn)定階段，出現(xiàn)了緩增階段；初期支護變形則不同，迅增階段結(jié)束后掌子面距離監(jiān)測斷面已相對較遠，后續(xù)施工對監(jiān)測斷面初期支護影響微弱，且圍巖作用在襯砌上的應(yīng)力基本穩(wěn)定，因而拱頂沉降并未出現(xiàn)緩增階段，而直接進入了穩(wěn)定階段。

3.2.2 正洞拱頂沉降

隧道開挖過程中代表性監(jiān)測斷面左右正洞拱頂沉降時程變化曲線如圖9所示，其中B6-GL與B7-GR測點受施工環(huán)境因素影響，初期支護施工完成后約13 d左右開始監(jiān)測，因而這2個測點在T3階段無明顯迅增階段或無監(jiān)測數(shù)據(jù)。分析正洞拱頂沉降變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，正洞拱頂沉降也基本分為迅增和穩(wěn)定2個階段。對于B1、B2斷面，迅增階段約歷時10 d，進入穩(wěn)定波動階段時掌子面距離監(jiān)測斷面約15 m，約5倍正洞洞徑。同時還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)右洞(后行洞)穿過左洞(先行洞)對應(yīng)監(jiān)測斷面時，左洞拱頂沉降及拱腰收斂趨勢并未發(fā)生明顯的改變。可以認為，受中導(dǎo)洞阻隔作用，后行洞施工所產(chǎn)生的影響傳遞至先行洞初期支護時已比較微弱。在本工程中，分析左右正洞受力變形規(guī)律時可以將二者劃分為2個獨立的洞室。

(a) B1/B2斷面

中導(dǎo)洞側(cè)壁拆除期間(T4)，B1、B2斷面拱頂沉降并未發(fā)生較大變化，而B6、B7斷面拱頂沉降明顯增加，增幅大約在3 mm左右。這是因為超淺埋段上覆土壓力較小，作用在中導(dǎo)洞側(cè)壁上豎向力較為微弱，破除該部分支撐時僅有小范圍的附加應(yīng)力作用在正洞初期支護上，因此B1、B2斷面拱頂沉降基本未發(fā)生變化；而B6、B7斷面上覆土壓力相對較大，中導(dǎo)洞側(cè)壁支撐作用明顯，在本時段內(nèi)初期支護拱頂沉降增幅較大。

3.3 既有隧道收斂變形

既有隧道拱腰收斂變化時程曲線如圖10所示。由圖可知，各測點的最終拱腰收斂值基本在4.0 mm以內(nèi)，在雙連拱隧道正洞施工期間，既有隧道產(chǎn)生了向雙連拱隧道方向變形的趨勢，除C1CR測點外，其余測點拱腰收斂值明顯增加(正值表示拱腰線長度增大)。同時，C2CL、C3CL、C2CR、C3CR測點拱腰收斂值的增加主要集中在某一時段內(nèi)，出現(xiàn)了明顯的迅增階段。

(a) 左線

以C2CL測點為例，在第223天時拱腰收斂值開始顯著增加，此時左洞掌子面距離C2監(jiān)測斷面約6 m左右；第227天掌子面穿過C2監(jiān)測斷面，拱腰收斂值已增至2.5 mm；第230天時，掌子面超過監(jiān)測斷面5 m，拱腰收斂值基本趨于穩(wěn)定，拱腰收斂值增至3.2 mm。C2CL迅增階段歷時約8 d，該階段內(nèi)最大影響距(掌子面與監(jiān)測斷面最大距離)為6 m，約2倍正洞洞徑；而C3CL、C2CR、C3CR測點的迅增階段最大影響距基本為1.5～2倍洞徑。此外，受監(jiān)測時間影響，監(jiān)測開始時，右洞掌子面已超過C1監(jiān)測斷面，故C1CR測點拱腰收斂值在整個監(jiān)測周期內(nèi)基本未發(fā)生變化。綜合上述分析可知，正洞開挖對既有隧道的最大影響距為2倍洞徑，即掌子面與監(jiān)測斷面的距離大于2倍洞徑以后，開挖施工對該監(jiān)測斷面的既有隧道拱腰收斂基本不產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論與討論

1)通過擴大中導(dǎo)洞面積占比及對不同區(qū)段采用不同超前支護方式的施工措施，使得施工過程中最大地表沉降為19.66 mm，最大沉降速率為2.31 mm/d，皆小于施工控制限值，同時利用中導(dǎo)洞的阻隔作用，有效減弱了左右洞施工的交叉影響。

2)對于超淺埋隧道，施工不確定性、土層不均勻性、土體各向異性、地表隨機荷載等干擾因素會明顯影響到地表沉降曲線的形狀，進而可能使得Peck公式對地表沉降預(yù)測結(jié)果與實測值存在較大偏差。

3)受土體變形滯后性影響，地表沉降達到穩(wěn)定狀態(tài)時掌子面與監(jiān)測斷面距離明顯超過5倍洞徑，而初期支護變形速率較快，達到穩(wěn)定階段時對應(yīng)距離基本為3～5倍洞徑。

4)正洞掌子面與監(jiān)測斷面的距離大于2倍洞徑以后，既有隧道拱腰收斂基本趨于穩(wěn)定，各監(jiān)測斷面最終拱腰收斂值基本在4 mm以內(nèi)。

本文并未就如何對淺埋或者超淺埋段地表沉降進行科學(xué)預(yù)測這個問題展開詳細討論，然而隨著今后地鐵工程的不斷發(fā)展，必然會出現(xiàn)更多超淺埋隧道。此外，本工程采用左右洞錯距15 m施工方案，對于城市地鐵雙連拱隧道這類小斷面隧道(相比于公路隧道)，在中導(dǎo)洞的強阻隔作用下，左右洞可否同步施工這一問題尚未得到解答，這也是后續(xù)研究的一個方向。