黏土地層地鐵隧道開挖工法的選擇

高詩明，張煒閃，王雙超，唐霞，陳建平

(1．中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢430074;2．河南理工大學萬方科技學院，河南鄭州451400)

黏土地層地鐵隧道開挖工法的選擇

高詩明1，張煒閃2，王雙超1，唐霞1，陳建平1

(1．中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢430074;2．河南理工大學萬方科技學院，河南鄭州451400)

在工程建設中，隧道往往穿越復雜的黏土地層。鑒于黏土體流變性、不均勻性、壓縮性高、強度低、透水性差等特點，隧道需采用恰當的施工工法。文章采用有限元軟件Plaxis對武漢地鐵2號線一期工程25標段進行了全斷面法、正臺階先拱后墻法和預留核心土法三種施工工法的對比分析。結果表明:預留核心土法在黏土地層施工中，能有效控制洞周位移和圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，并可顯著改善圍巖和支護結構的受力情況，是較為合理的施工工法。

黏土 地鐵 施工優(yōu)化 數值計算

在隧道工程建設過程中不可避免地要穿越復雜的黏土地層。而黏土地層又具有流變性、壓縮性高、強度低、透水性差等復雜的物理力學性質。因此，根據實際工程黏土體的物理力學性質及其分布，正確評價不同施工工法對地鐵隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，選擇恰當的施工工法尤為重要。許多學者對黏土地層條件下隧道施工方法展開了研究。何宗文［1］以大連疏港高速公路松樹嶺砂質黏土隧道為例，研究了上下斷面短臺階法開挖隧道時對地面位移產生的影響等;秦國剛［2］結合天恒山隧道工程實踐，分析了大跨度淺埋黏土隧道三臺階法開挖的工藝流程、質量控制方法等;李兵等［3］結合云陽山隧道軟弱圍巖亞黏土地層情況，討論了七步開挖法在實際工程中的應用問題。

盡管國內外學者已經做了大量研究，但不同地區(qū)黏土地層的性質存在明顯差異，文章以武漢地鐵2號線一期工程25標黏土地層為對象，建立隧道計算模型，模擬分析全斷面法、正臺階先拱后墻法、預留核心土法三種不同施工工法下地鐵隧道圍巖的位移、塑性區(qū)、初支內力以及彎矩的變化，并結合地鐵隧道現場監(jiān)測結果，選擇合適的施工工法。以期為同類隧道的施工提供參考。

1 工程概況

武漢地鐵2號線一期工程橫穿長江南北，隧道沿線交通量大，交通干道縱橫交錯，地下管線錯綜復雜，高層建筑分布密集。沿線廣泛分布黏土層，隧道上覆人工填土，厚度不一，狀態(tài)多樣，硬塑、可塑、軟塑均有存在。穿越的第四系土層分布復雜，主要為黏土地層在水文地質條件、地質構造條件、地層巖性組合、土體成因類型等方面，不同地貌單元間存在著明顯的差異。地鐵自北端的金銀潭車站到南端的光谷廣場車站，依次穿過長江二級階地區(qū)、一級階地區(qū)、河床河道區(qū)、三級階地區(qū)和剝蝕丘陵地貌區(qū)等地貌單元，如圖1所示。

圖1 武漢市地鐵2號線沿線地貌單元劃分

2 隧道開挖模型的建立

采用荷蘭Delft科技大學開發(fā)的Plaxis有限元軟件進行模擬分析，該軟件能夠模擬復雜地質條件下的工程情況，并對工程巖土體的穩(wěn)定情況和變形發(fā)展進行分析。

計算模型為三維模型，模型采用Mohr-Coulomb準則，隧道凈高5.8 m，凈寬5.2 m，埋深15 m，模型高度40 m，縱向長30 m，兩側邊界距離洞中心30 m。因為模型及開挖方式基本對稱，所以只考慮其中一半，三維模型如圖2所示。在沒有額外附加參數的情況上暫不考慮節(jié)理、層理、剪切帶等地質軟弱面。

本次計算所采用材料的物理力學參數均取自設計報告，具體如表1和表2所示。

圖2 隧道開挖三種不同工法的三維模型

表1 黏土地層巖土體物理力學參數建議值

表2 初期支護力學參數

3 模擬結果與分析

1)三種施工工法的位移對比

采用全斷面法、正臺階先拱后墻法、預留核心土法三種施工工法開挖時引起的總位移等值線圖如圖3所示。可見，隨著施工的進行，各項位移值都在不斷增加。拱頂下沉速度在開挖初期較大，之后位移曲線逐漸趨于平緩。隧道最大沉降量出現在拱頂，其值為170，300，38 mm。

預留核心土法開挖時產生的最大拱頂沉降量為38 mm，遠遠小于全斷面法(170 mm)和正臺階先拱后墻法(300 mm)。這主要是因為預留核心土法施工是在弧形導坑前進一段距離后才挖除中央核心土，能很好地穩(wěn)定隧道掌子面。正臺階先拱后墻法施工先開挖拱頂再開挖邊墻，拱頂圍巖容易發(fā)生塌落現象，不利于掌子面的穩(wěn)定。而全斷面法開挖時對隧道一次性產生很大擾動，容易對支護結構產生不利影響?？紤]到城市地鐵隧道開挖時應嚴格控制地表沉降，以免對既有建筑物及管線造成不必要的損害，故建議選擇預留核心土法開挖。

圖3 三種施工工法的總位移等值線

2)三種施工工法的塑性區(qū)發(fā)展對比

采用全斷面法、正臺階先拱后墻法、預留核心土法三種施工工法開挖時引起的塑性區(qū)分布模擬值如表3所示。

從表3可以看出，采取全斷面法開挖時塑性區(qū)分布較密集，邊墻處、墻腳處、拱腳處、底部延伸深度分別為2.5，2.8，2.0，3.0 m。采用正臺階先拱后墻法開挖時塑性區(qū)分布稀疏，邊墻處、墻腳處、拱腳處、底部延伸深度分別為1.6，2.6，1.2，2.4 m。采用預留核心土法開挖時塑性區(qū)分散，邊墻處、墻腳處、拱腳處、底部延伸深度分別為1.5，2.4，1.1，2.5 m。

在塑性區(qū)發(fā)展方面，預留核心土法塑性區(qū)范圍最小，邊墻處、墻腳處、拱腳處延伸深度均小于全斷面法和正臺階先拱后墻法;底部延伸深度小于全斷面法，略大于正臺階先拱后墻法。故從控制塑性區(qū)發(fā)展方面考慮，亦應選擇預留核心土法。

3)三種施工工法的軸力和彎矩對比

三種施工工法下隧道初期支護的軸力彎矩值對比如表4所示。

表3 三種施工工法塑性區(qū)分布

表4 三種施工工法初期支護的軸力彎矩對比

從初期支護受力來看，預留核心土法初期支護的最大軸力以及最大彎矩分別出現在拱肩和拱頂，其中最大軸力為800 kN，最大彎矩為56 kN·m，均小于全斷面法和正臺階先拱后墻法。這說明采用預留核心土法施工能有效地改善圍巖受力狀態(tài)，使得初期支護主要承受壓應力作用。軸力值、彎矩值遠小于襯砌支護的承載力極限狀態(tài)，不影響結構的安全。

綜合比較分析全斷面法、正臺階先拱后墻法、預留核心土法三種施工工法，建議在黏土地層中采用預留核心土法。

4 隧道監(jiān)測數據與模擬結果的對比

城市具有復雜的地質條件，無論是通過理論計算、工程類比還是數值模擬所獲得的設計方面的資料，都可能與現場施工情況有一定的出入。因此，現場監(jiān)控量測是檢驗實際工程合理性的最重要的手段和標準［4］。

拱頂是隧道周邊撓度最大處，其位移具有較強的代表性。武漢地鐵2號線一期工程25標段圍巖主要為黏土地層，現場施工中采用預留核心土法開挖，此標段隧洞埋深為8～20 m。因此選取了25標段YDK25 +550，YDK25+580和ZDK25+565 3個典型斷面為研究對象，對其拱頂變形進行分析，如圖4所示。

圖4 黏土地層拱頂沉降曲線

從圖4可以看出，3個典型斷面的實測拱頂下沉為44～46 mm，而利用有限元軟件Plaxis模擬的拱頂下沉為38 mm。有限元模擬結果與現場監(jiān)測資料基本吻合。

5 結論

文章以武漢地鐵2號線一期工程25標段為研究背景，采用有限元軟件Plaxis模擬隧道穿越黏土地層時，三種工法施工引起的圍巖位移、塑性區(qū)發(fā)展、初期支護軸力和彎矩的變化，得到以下結論:

1)在黏土地層中，采用預留土法施工可以有效控制拱頂下沉和周邊收斂，特別是在隧道穿越不良地層時核心土的作用尤為明顯。

2)預留核心土法施工時，塑性區(qū)較分散而且范圍較小，能很好地控制塑性區(qū)的發(fā)展。

3)從初期支護受力來看，采用預留核心土法施工初期支護承受的最大軸力以及最大彎矩小于全斷面法和正臺階先拱后墻法，說明預留核心土法施工在改善支護的受力情況方面要優(yōu)于后者。建議在土質較差地段采用預留核心土法。

4)采用預留核心土法開挖的有限元模擬結果與實測結果基本吻合，故建議采用預留核心土法。

［1］何宗文．大跨度砂質黏土隧道施工變形規(guī)律研究［J］．現代隧道技術，2009，46(4):12-18．

［2］秦國剛．大跨度粘土公路隧道臺階法施工技術探討［J］．華北水利水電學院學報，2009(6):1-3．

［3］李兵，何英偉，陽軍生，等．云陽山隧道亞粘土地層臺階七步開挖施工技術［J］．公路工程，2008，33(5):96-98，103．

［4］武圓月，龔潔英．北京地鐵10號線草橋站至紀家廟站區(qū)間盾構隧道施工監(jiān)測與分析［J］．鐵道建筑，2013(9):34-38．

(責任審編葛全紅)

U455．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．19

1003-1995(2015)04-0070-03

2014-10-20;

2015-02-10

高詩明(1987—)，男，山東沂南人，博士研究生。