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)，但隧道開挖和運(yùn)營對相鄰建筑物的影響不容忽視［1］。特別是我國西部地區(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、大變形等問題。因此，如何安全合理地開展大跨度、小凈距、淺埋的黃土隧道開挖已成為地下空間工程中必須考慮的問題。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能有效控制圍巖變形，但因開挖斷面分塊較多對圍巖擾動次數(shù)增加，初期支護(hù)全斷面閉合的時間較長致使施工周期較長，不利于后行隧道的開挖和中巖柱穩(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)過程中通過布設(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］對于黃土隧道開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仰拱施作的合理長度。對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)測了雙孔平行隧道開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稱特征。Cording 等［10］監(jiān)測發(fā)現(xiàn)隧道開挖后地表出現(xiàn)的不對稱沉降槽與隧道開挖有關(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］，有效控制開挖掌子面間距對于指導(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［12］。

本文以西安地鐵4號線的雁南四路站—大唐芙蓉園站區(qū)間淺埋深黃土隧道為工程案例，基于MIDAS 三維模型對雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖過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，以優(yōu)化的開挖掌子面間距指導(dǎo)隧道實(shí)際開挖，最后基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證隧道開挖掌子面間距設(shè)置的合理性。

1 工程地質(zhì)概況

西安地鐵4號線南起航天產(chǎn)業(yè)基地，北至草灘，全長34.30 km。研究區(qū)段起止里程為CK8+371.825—CK9+619.325，全長約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，屬于典型非對稱、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地。地層附近無地表水，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)坑法開挖參數(shù)優(yōu)化方案

2.1 數(shù)值模型及開挖方案

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改變單元屬性來實(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)坑開挖工序如圖1 所示。模型共14.28 萬個單元，2.50 萬個節(jié)點(diǎn)。隧道開挖對圍巖應(yīng)力的影響區(qū)域?yàn)殚_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挖作用對土體及支護(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)算時將初期支護(hù)結(jié)構(gòu)滯后一個施工步施作，二次襯砌距離開挖掌子面較遠(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)場監(jiān)測方案

根據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》確定監(jiān)測等級為二級，垂直隧道軸線方向設(shè)置監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面間距為100 m，每個監(jiān)測斷面設(shè)置11個監(jiān)測點(diǎn)。隧道開挖區(qū)域?yàn)橹饕O(jiān)測位置，測點(diǎn)間距為3～5 m，次要監(jiān)測間距為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圖2?？芍?/p>

圖2 黃土隧道地表沉降曲線

1）洞室①—②開挖后，地表沉降曲線發(fā)展趨勢基本相似，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，最大沉降為 14.26 mm；當(dāng)L1=13 m 時，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，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開挖后，距隧道中線-20 ～ 40 m 內(nèi)沉降為2.50～18.13 mm，L3對斷面沉降的影響程度大于L1而小于L2。Cording 等［10］研究表明，后行隧道開挖后出現(xiàn)的不對稱沉降槽與先行隧道的開挖作用有關(guān)。最大沉降發(fā)生在距離隧道中線10 m 位置，以L3開挖時引起的最大沉降為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的拱頂沉降見圖3。可以看出，拱頂沉降曲線隨開挖步增加的發(fā)展趨勢相似，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)開挖到某一特征面時，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L1對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，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，L1增大對洞室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的拱頂沉降曲線見圖4。可知：趨勢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)于中線對稱，兩拱頂沉降趨勢相似，穩(wěn)定收斂值近似相等；受洞室①—②開挖作用影響，L3下洞室⑤拱頂沉降值的離散程度較大，特別是前期開挖階段；洞室⑤開挖后期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。施工時可通過減小L3來減小洞室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時洞室①的拱頂沉降曲線見圖5?？芍?，洞室①開挖初期的拱頂呈快速沉降趨勢，最大沉降量接近20 mm，拱頂沉降曲線隨著開挖步增大逐漸變得緩和最終趨于收斂?？梢?，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階段，開挖步分界點(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的水平變形曲線見圖6?？芍核阶冃闻c拱頂沉降趨勢相似，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。對于洞室②，L1=0～4 m 時，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，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對洞室①和③水平變形的影響見圖7?？芍呵€明顯經(jīng)歷先快速變形后趨于收斂兩個階段，與拱頂沉降趨勢基本一致。由于開挖初期的支護(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)開挖步大于12 步時，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?，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，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，洞室③的水平收斂值由4.11 mm 減至4.08 mm，降低0.73%。可見，L2取9 m時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對洞室①和③水平變形的影響見圖8。可知：洞室①和③的水平變形總體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，可見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開挖之前，洞室①與③的土體開挖已經(jīng)完成，初期支護(hù)及臨時鋼支撐逐漸發(fā)揮支撐和約束作用。洞室④開挖時，上部逐漸閉合的支護(hù)結(jié)構(gòu)對水平變形具有橫向約束作用，導(dǎo)致洞室③在第9、11、12、14 施工步時的水平變形出現(xiàn)突然減小趨勢。隨著洞室⑤開挖，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 時支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力分布見圖9。可以看出，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，施工時應(yīng)對該區(qū)域加強(qiáng)承載強(qiáng)度及土體沉降監(jiān)測，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。施工過程需加強(qiáng)對鋼支撐和初期支護(hù)的連接部位的變形監(jiān)測［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?，最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力均隨L3增大而增大，開挖過程應(yīng)盡量減小L3。隧道斷面尺寸為12.13 m×10.03 m，凈開挖面積明顯大于100 m2。開挖區(qū)段為大斷面隧道，開挖過程應(yīng)嚴(yán)格遵循短開挖、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)測重點(diǎn)［13］。為此，L3取 9 m 時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，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)坑開挖大斷面黃土隧道時應(yīng)控制每循環(huán)的進(jìn)尺長度在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時需要施作拉錨桿以減小中巖柱變形。

3.5 黃土隧道開挖及變形監(jiān)測分析

3.5.1 隧道開挖后地表沉降特征

根據(jù)優(yōu)化方案開挖，2017 年 11 月 9 日至 2018 年 1月22日對地表沉降進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測表明，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)對敏感沉降區(qū)的沉降監(jiān)測［2］。

隧道中線地表最大沉降及變化率見圖10?？芍旱乇碜畲蟪两惦S開挖時間增加呈不顯著沉降、快速沉降及緩慢沉降三個階段。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 隧道開挖后水平變形特點(diǎn)

洞室①、②、③、④的水平變形曲線見圖11。可知：開挖初期洞室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的開挖相對滯后，水平變形進(jìn)入收斂前先經(jīng)歷過渡變形，歷時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，滿足圍巖穩(wěn)定性要求。由此可見，開挖圍巖的水平變形滿足安全施工要求。

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)，受開挖影響隧道上方地表形成V字形沉降槽。

2）受開挖作用影響，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，滿足圍巖穩(wěn)定性要求。通過數(shù)值模型對實(shí)際施工參數(shù)優(yōu)化具有很高的可靠性。