黃土地區(qū)淺埋地鐵隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工參數(shù)優(yōu)化

姜子良

1.中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300；2.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710055

隨著城市地下工程的快速發(fā)展，小間距隧道的投入建設(shè)有效降低了地下空間資源的浪費(fèi)，但隧道開(kāi)挖和運(yùn)營(yíng)對(duì)相鄰建筑物的影響不容忽視［1］。特別是我國(guó)西部地區(qū)，廣泛分布的黃土地層導(dǎo)致隧道表現(xiàn)出圍巖自穩(wěn)性差、承載力小、大變形等問(wèn)題。因此，如何安全合理地開(kāi)展大跨度、小凈距、淺埋的黃土隧道開(kāi)挖已成為地下空間工程中必須考慮的問(wèn)題。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能有效控制圍巖變形，但因開(kāi)挖斷面分塊較多對(duì)圍巖擾動(dòng)次數(shù)增加，初期支護(hù)全斷面閉合的時(shí)間較長(zhǎng)致使施工周期較長(zhǎng)，不利于后行隧道的開(kāi)挖和中巖柱穩(wěn)定。牛澤林等［2］基于黃土隧道的地層壓力以及土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)間的壓力提出黃土隧道地層壓力的經(jīng)驗(yàn)公式。汪敏等［3］提出黃土隧道的初期支護(hù)過(guò)程中通過(guò)布設(shè)鋼筋網(wǎng)可提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗拉、抗剪強(qiáng)度。張玉偉等［4］對(duì)于黃土隧道開(kāi)展了用地表三軸攪拌樁處治隧道基底地基效果的模型試驗(yàn)。郭杰［5］分析了黃土隧道土體的壓力特征值。鐘祖良等［6］提出了黃土雙連拱隧道施工時(shí)仰拱施作的合理長(zhǎng)度。對(duì)于小凈距隧道的地表沉降及中巖柱受力特征，Lv 等［7］發(fā)現(xiàn)小凈距隧道加固可顯著降低襯砌變形和地面沉降。Suwansawat 等［8］預(yù)測(cè)了雙孔平行隧道開(kāi)挖所引起的地表沉降。Shirlaw等［9］研究了新加坡地鐵隧道的地表沉降形成沉降槽呈不對(duì)稱(chēng)特征。Cording 等［10］監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)隧道開(kāi)挖后地表出現(xiàn)的不對(duì)稱(chēng)沉降槽與隧道開(kāi)挖有關(guān)。城市地鐵隧道受到復(fù)雜的地下交通網(wǎng)絡(luò)及建筑物影響［2，11］，有效控制開(kāi)挖掌子面間距對(duì)于指導(dǎo)小凈距隧道的施工具有重要意義，而關(guān)于并行隧道施工參數(shù)的研究尚不多見(jiàn)［12］。

本文以西安地鐵4號(hào)線的雁南四路站—大唐芙蓉園站區(qū)間淺埋深黃土隧道為工程案例，基于MIDAS 三維模型對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖過(guò)程中的掌子面間距進(jìn)行優(yōu)化分析，研究隧道地表及拱頂沉降、水平變形收斂、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征，以?xún)?yōu)化的開(kāi)挖掌子面間距指導(dǎo)隧道實(shí)際開(kāi)挖，最后基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證隧道開(kāi)挖掌子面間距設(shè)置的合理性。

1 工程地質(zhì)概況

西安地鐵4號(hào)線南起航天產(chǎn)業(yè)基地，北至草灘，全長(zhǎng)34.30 km。研究區(qū)段起止里程為CK8+371.825—CK9+619.325，全長(zhǎng)約1.25 km，隧道拱頂最大埋深為23 m，尺寸為12.13 m×10.03 m，中隔墻厚4.10 m，屬于典型非對(duì)稱(chēng)、淺埋深、大跨度的黃土隧道。隧道施工地面高程為442.16～446.50 m，土層依次為雜填土（1.5 m）、新黃土（10.6 m）、老黃土（42.9 m），屬東厚西薄分布的自重濕陷性黃土場(chǎng)地。地層附近無(wú)地表水，工程建設(shè)影響范圍內(nèi)主要為第四系孔隙潛水。

2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖參數(shù)優(yōu)化方案

2.1 數(shù)值模型及開(kāi)挖方案

假定地表及土層均質(zhì)呈水平分布，采用MIDAS∕NX有限元軟件建立數(shù)值模型，巖土體為Mohr-Column 模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)和大斷面中隔墻假定為變形彈性板單元，大斷面拱頂上部的管棚通過(guò)改變單元屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)，模型材料參數(shù)［13］和地勘資料相同。

隧道模型及雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖工序如圖1 所示。模型共14.28 萬(wàn)個(gè)單元，2.50 萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖應(yīng)力的影響區(qū)域?yàn)殚_(kāi)挖輪廓線外的3 倍洞室寬度，水平方向（x軸）為105 m，沿隧道軸線方向（y軸）為155 m，豎直方向（z軸）為55 m。只需考慮自重條件下隧道開(kāi)挖作用對(duì)土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，不考慮構(gòu)造應(yīng)力及地下水環(huán)境的影響，故模型四周邊界為水平約束作用，底面邊界設(shè)置為水平和豎直約束作用。

圖1 隧道模型及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖工序（單位：m）

洞室①—②和③—④掌子面間距（L1）為0、2、4、9、13 m；洞室②—③掌子面間距（L2）為0、4、9、13、21 m；洞室④—⑤掌子面間距（L3）為4、9、13、21 m。模型計(jì)算時(shí)將初期支護(hù)結(jié)構(gòu)滯后一個(gè)施工步施作，二次襯砌距離開(kāi)挖掌子面較遠(yuǎn)故不考慮其影響。洞室③—④與①—②的掌子面間距相等，僅討論洞室①—②的掌子面間距（L1）對(duì)隧道沉降及變形的影響。洞室⑤—⑥的掌子面間距L4=L1+L2，故未重復(fù)討論L4的影響。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》確定監(jiān)測(cè)等級(jí)為二級(jí)，垂直隧道軸線方向設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)斷面間距為100 m，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。隧道開(kāi)挖區(qū)域?yàn)橹饕O(jiān)測(cè)位置，測(cè)點(diǎn)間距為3～5 m，次要監(jiān)測(cè)間距為5～10 m。地表沉降、水平收斂最大容許值分別為30、40、20 mm，最大容許變化速率分別為4、5、2 mm∕d，施工監(jiān)測(cè)值應(yīng)小于最大容許值和最大容許變化速率。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 隧道地表沉降特征

CK9+462斷面地表沉降曲線見(jiàn)圖2?？芍?/p>

圖2 黃土隧道地表沉降曲線

1）洞室①—②開(kāi)挖后，地表沉降曲線發(fā)展趨勢(shì)基本相似，左右兩側(cè)地表沉降0 ～ 4 mm，距隧道中線-20～20 m 內(nèi)地表沉降4.00～14.36 mm，最大沉降位于隧道右上方土體，隧道上方土體形成了單峰V 形沉降槽，這與新加坡雙孔隧道地鐵［9］的地表沉降規(guī)律相同。隧道中線的沉降分別為13.04、12.92、12.82、12.76、12.71 mm，沉降量的減小幅度不明顯。當(dāng)L1=0 m 時(shí)，最大沉降為 14.26 mm；當(dāng)L1=13 m 時(shí)，最大沉降為13.97 mm，相比前者沉降降低2.72%。這表明，地表最大沉降及中線沉降均隨L1增加而降低。

2）洞室②—③開(kāi)挖后，中線右側(cè)的沉降明顯大于左側(cè)，距隧道中線-20～40 m的沉降為5.00～19.25 mm；隧道周邊沉降較小，約為0～5 mm。當(dāng)L2=0 m 時(shí)，中線地表及隧道拱頂最大沉降分別為16.69、19.25 mm；隨著L2增大，中線地表沉降分別降低0.78%、3.62%、0.06%、3.76%，拱頂沉降分別降低0.67%、3.45%、2.00%、1.38%?？芍?，L2= 9 m 時(shí)隧道沉降的降低幅度最大且可有效抑制隧道沉降變形。

3）洞室⑤—⑥開(kāi)挖后，距隧道中線-20 ～ 40 m 內(nèi)沉降為2.50～18.13 mm，L3對(duì)斷面沉降的影響程度大于L1而小于L2。Cording 等［10］研究表明，后行隧道開(kāi)挖后出現(xiàn)的不對(duì)稱(chēng)沉降槽與先行隧道的開(kāi)挖作用有關(guān)。最大沉降發(fā)生在距離隧道中線10 m 位置，以L3開(kāi)挖時(shí)引起的最大沉降為18.13 mm，是中線沉降的1.15 倍。中線沉降隨L3增加而增大，這與掌子面間距L1和L2下中線沉降的變化趨勢(shì)不同。由此可知，適當(dāng)減小L3能更好地控制地表沉降。

3.2 黃土隧道拱頂沉降特征

掌子面間距L1下洞室①—②的拱頂沉降見(jiàn)圖3?？梢钥闯?，拱頂沉降曲線隨開(kāi)挖步增加的發(fā)展趨勢(shì)相似，先快速沉降后逐漸收斂，分界點(diǎn)分別為15 mm 和12 mm，洞室①—②的開(kāi)挖步分別為第16 ～ 20 和第14～20步，這表明洞室②的沉降變形較洞室①先達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)開(kāi)挖到某一特征面時(shí)，隧道拱頂產(chǎn)生較大沉降，后續(xù)變形繼續(xù)增大但增幅減緩，最終趨于穩(wěn)定，可見(jiàn)L1對(duì)于隧道拱頂和地表的沉降作用相似。隨著L1增大，拱頂最大沉降逐漸減小，減小幅度與L1的增量不成正比。當(dāng)L1增至13 m 時(shí)，洞室①的拱頂沉降由17.82 mm 減至16.91 mm，減小5.11%；洞室②的拱頂沉降由15.27 mm 減至13.52 mm，減小11.46%。由此可見(jiàn)，L1增大對(duì)洞室②拱頂沉降控制較為明顯。

圖3 洞室①—②的拱頂沉降曲線

掌子面間距L3下洞室①—②及⑤的拱頂沉降曲線見(jiàn)圖4?？芍黑厔?shì)都是先快速沉降后緩慢趨于收斂，沉降分界值分別為20、20、21 mm；由于洞室①—②關(guān)于中線對(duì)稱(chēng)，兩拱頂沉降趨勢(shì)相似，穩(wěn)定收斂值近似相等；受洞室①—②開(kāi)挖作用影響，L3下洞室⑤拱頂沉降值的離散程度較大，特別是前期開(kāi)挖階段；洞室⑤開(kāi)挖后期L3越大，處于收斂階段的沉降越大；洞室①—②及⑤的最大拱頂沉降均隨L3增大而增大，洞室①—②的最大拱頂沉降明顯小于洞室⑤。施工時(shí)可通過(guò)減小L3來(lái)減小洞室①—②及⑤的拱頂沉降。

圖4 洞室①—②及⑤的拱頂沉降曲線

掌子面間距L2時(shí)洞室①的拱頂沉降曲線見(jiàn)圖5?？芍?，洞室①開(kāi)挖初期的拱頂呈快速沉降趨勢(shì)，最大沉降量接近20 mm，拱頂沉降曲線隨著開(kāi)挖步增大逐漸變得緩和最終趨于收斂?？梢?jiàn)，洞室①拱頂?shù)某两荡笾陆?jīng)歷了先快速沉降后緩慢沉降兩個(gè)階段，開(kāi)挖步分界點(diǎn)為22～31步。

圖5 洞室①的拱頂沉降曲線

3.3 黃土隧道水平變形特征

掌子面間距L1下洞室①—②的水平變形曲線見(jiàn)圖6?？芍核阶冃闻c拱頂沉降趨勢(shì)相似，包括快速變形和逐漸收斂，轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別為第14、第15 開(kāi)挖步。隨支護(hù)結(jié)構(gòu)施作，洞室變形速率顯著降低并逐漸過(guò)渡到收斂階段。隨掌子面間距增大，洞室①的水平變形分別收斂于3.96、3.83、3.66、3.59、3.57 mm，L1大于4 m 后收斂值顯著降低。對(duì)于洞室②，L1=0～4 m 時(shí)，水平變形收斂值隨L1增大而減小，L1大于4 m 后水平變形收斂值增大。因此，洞室①和②的水平變形收斂呈先減少后增大的趨勢(shì)，L1= 4 m 為明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)。為有效控制隧道水平變形穩(wěn)定性，L1取4 m較合適。

圖6 洞室①—②的水平變形收斂曲線

掌子面間距L2對(duì)洞室①和③水平變形的影響見(jiàn)圖7。可知：曲線明顯經(jīng)歷先快速變形后趨于收斂?jī)蓚€(gè)階段，與拱頂沉降趨勢(shì)基本一致。由于開(kāi)挖初期的支護(hù)結(jié)構(gòu)尚未完全施作，洞室①的水平變形比較明顯；當(dāng)開(kāi)挖步大于12 步時(shí)，洞室①的水平變形程度減緩后逐漸趨于收斂，水平變形分別收斂于5.16、5.25、5.35、5.41、5.45 mm?？梢?jiàn)，隨著L2增大，洞室①的變形收斂值逐漸增大。因此，為有效控制洞室①的水平變形，L2不宜過(guò)大。洞室③的初期水平變形比較離散，L2越小，洞室③的水平變形越先收斂。洞室③的水平變形收斂值為4.08 ～ 4.52 mm，隨著L2增大而減小。L2由0增至9 m 時(shí)，洞室③的水平收斂值由4.52 mm 減至4.11 mm，降低9.07%；L2由 9 m 增至21 m 時(shí)，洞室③的水平收斂值由4.11 mm 減至4.08 mm，降低0.73%?？梢?jiàn)，L2取9 m時(shí)可有效抑制隧道沉降及水平變形，這與前文分析一致。

圖7 洞室①和③的水平變形曲線

掌子面間距L3對(duì)洞室①和③水平變形的影響見(jiàn)圖8?？芍憾词尧俸廷鄣乃阶冃慰傮w是先快速變形后收斂，洞室①的水平變形收斂值為3.50～4.50 mm，明顯小于洞室③（5.11 ～ 5.18 mm）。隨L3增大，洞室①和③的水平變形呈增大趨勢(shì)，可見(jiàn)為減小施工隧道水平變形，應(yīng)盡量減小L3，這與上文分析結(jié)果一致。洞室①和③的水平變形出現(xiàn)突變特征，結(jié)合雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工工藝分析認(rèn)為，洞室④與⑤開(kāi)挖之前，洞室①與③的土體開(kāi)挖已經(jīng)完成，初期支護(hù)及臨時(shí)鋼支撐逐漸發(fā)揮支撐和約束作用。洞室④開(kāi)挖時(shí)，上部逐漸閉合的支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)水平變形具有橫向約束作用，導(dǎo)致洞室③在第9、11、12、14 施工步時(shí)的水平變形出現(xiàn)突然減小趨勢(shì)。隨著洞室⑤開(kāi)挖，洞室③與⑥中間的鋼支撐被拆除，洞室橫向約束被解除，引起洞室③的水平變形突然增大。

圖8 洞室①和③的水平變形曲線

3.4 黃土隧道斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征

當(dāng)L3= 4、13 m 時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力分布見(jiàn)圖9?？梢钥闯?，中隔板、中隔墻、初期支護(hù)和中隔墻連接處主要以拉應(yīng)力為主，施工時(shí)應(yīng)對(duì)該區(qū)域加強(qiáng)承載強(qiáng)度及土體沉降監(jiān)測(cè)，以控制隧道及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形收斂。洞室③—④及⑥間的中隔墻主要以壓應(yīng)力為主，洞室①—②及⑤間的中隔墻出現(xiàn)局部壓應(yīng)力。鋼支撐和初期支護(hù)的連接部位均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，支護(hù)結(jié)構(gòu)底部主要以壓應(yīng)力集中為主，最大壓應(yīng)力在38.43 ～ 38.80 MPa。拱頂支護(hù)結(jié)構(gòu)主要以拉應(yīng)力集中為主，最大為4.44～4.76 MPa。施工過(guò)程需加強(qiáng)對(duì)鋼支撐和初期支護(hù)的連接部位的變形監(jiān)測(cè)［5］，以提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的載荷強(qiáng)度和抵抗圍巖變形能力。支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力為最大拉應(yīng)力的8.15～8.66 倍，最大拉應(yīng)力及壓應(yīng)力的變化率為0.02 MPa∕m?？梢?jiàn)，最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力均隨L3增大而增大，開(kāi)挖過(guò)程應(yīng)盡量減小L3。隧道斷面尺寸為12.13 m×10.03 m，凈開(kāi)挖面積明顯大于100 m2。開(kāi)挖區(qū)段為大斷面隧道，開(kāi)挖過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格遵循短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)施工原則，以地表沉降、拱頂沉降及水平變形收斂作為施工監(jiān)測(cè)重點(diǎn)［13］。為此，L3取 9 m 時(shí)可有效降低地表沉降及橫向變形。

圖9 支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力分布（單位：MPa）

綜上，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行該黃土隧道施工時(shí)，洞室①—②和③—④的掌子面間距L1取4 m，洞室②—③的掌子面間距L2取9 m，洞室④—⑤的掌子面間距L3取9 m?；趦?yōu)化結(jié)果，雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖大斷面黃土隧道時(shí)應(yīng)控制每循環(huán)的進(jìn)尺長(zhǎng)度在0.50 m 左右，并根據(jù)實(shí)際工況控制洞室掌子面間距；施工隧道與既有隧道凈間距小于9 m時(shí)需要施作拉錨桿以減小中巖柱變形。

3.5 黃土隧道開(kāi)挖及變形監(jiān)測(cè)分析

3.5.1 隧道開(kāi)挖后地表沉降特征

根據(jù)優(yōu)化方案開(kāi)挖，2017 年 11 月 9 日至 2018 年 1月22日對(duì)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)表明，距離隧道中線-17～6 m 的地表沉降顯著，距離隧道中線越近，地表沉降越大，隧道中線的地表沉降最大為19.61 mm，為地表沉降最大容許值的65.37%，滿(mǎn)足隧道安全施工要求。隧道上方地表形成V 字形沉降槽，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)敏感沉降區(qū)的沉降監(jiān)測(cè)［2］。

隧道中線地表最大沉降及變化率見(jiàn)圖10。可知：地表最大沉降隨開(kāi)挖時(shí)間增加呈不顯著沉降、快速沉降及緩慢沉降三個(gè)階段。2017 年11 月9—21 日，最大沉降及變化率分別為 1.07 mm、0.18 mm∕d。2017 年11月21日至12月9日，最大沉降為14.64 mm，變化率為3.67 mm∕d（小于4 mm∕d），這表明地表沉降及變化率滿(mǎn)足安全施工要求。隨著初期支護(hù)施作，地表沉降趨于穩(wěn)定，最大沉降為16.01～19.61 mm，變化速率為0.07～0.20 mm∕d。

圖10 隧道中線地表最大沉降及其變化率

3.5.2 隧道開(kāi)挖后水平變形特點(diǎn)

洞室①、②、③、④的水平變形曲線見(jiàn)圖11?？芍洪_(kāi)挖初期洞室③—④在1～14 d發(fā)生快速變形（0～12.12 mm），支護(hù)施作后洞室①—②的水平變形逐漸進(jìn)入收斂階段，25 d后趨于穩(wěn)定，最大水平變形收斂值為12.90～13.10 mm；洞室③—④的開(kāi)挖相對(duì)滯后，水平變形進(jìn)入收斂前先經(jīng)歷過(guò)渡變形，歷時(shí)17 ～ 25 d；在快速變形和收斂階段，洞室③—④的最大水平變形分別為洞室①—②的82.51%和95.49%；洞室①、②、③、④的最大水平變形分別為13.10、12.90、12.51、12.12 mm，明顯小于最大容許變形值；在快速變形和收斂階段，圍巖水平變形速率分別為0.65 ～ 1.98、0.08～0.12 mm∕d，滿(mǎn)足圍巖穩(wěn)定性要求。由此可見(jiàn)，開(kāi)挖圍巖的水平變形滿(mǎn)足安全施工要求。

圖11 洞室①、②、③及④的水平變形曲線

4 結(jié)論

1）黃土隧道掌子面間距對(duì)地表、拱頂沉降及變形的影響規(guī)律一致。距離隧道中心線-20～20 m 內(nèi)的地表沉降較大，最大沉降發(fā)生在隧道中線右側(cè)，受開(kāi)挖影響隧道上方地表形成V字形沉降槽。

2）受開(kāi)挖作用影響，隧道中隔板、中隔墻、初期支護(hù)和中隔墻連接處主要承受拉應(yīng)力，鋼支撐和初期支護(hù)連接部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，支護(hù)結(jié)構(gòu)底部主要承受壓應(yīng)力。優(yōu)化結(jié)果表明，掌子面間距L1= 4 m、L2= 9 m、L3=9 m時(shí)能有效提高圍巖穩(wěn)定性。

3）距離隧道中線-17～6 m 內(nèi)地表沉降顯著，距離隧道中線越近，地表沉降越大。隧道中線的地表沉降最大值為19.61 mm，是最大容許值的65.37%。在快速沉降和收斂階段的最大沉降變化率分別為3.67、0.20 mm∕d，滿(mǎn)足安全施工要求。

4）隧道水平變形呈先快速變形后逐漸收斂，洞室①—②在前14 d 發(fā)生快速變形，歷時(shí)25 d 后收斂于13.10 mm且小于最大容許變形值；在快速變形和收斂階段，洞室③—④的最大水平變形分別為洞室①—②的82.51%和95.49%。相應(yīng)的最大水平變形速率為1.98 mm∕d，滿(mǎn)足圍巖穩(wěn)定性要求。通過(guò)數(shù)值模型對(duì)實(shí)際施工參數(shù)優(yōu)化具有很高的可靠性。