回填土大跨超淺埋地鐵隧道開挖穩(wěn)定性分析

鮑先凱， 王舒銳， 李文輝， 張武， 吳寧

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 包頭 014010； 2.中鐵十二局集團第三工程有限公司， 太原 030024)

近年來，隨著中國城市規(guī)模的擴大，城市交通運輸矛盾日益突出，交通擁堵現(xiàn)象日益嚴(yán)重。中國主要城市根據(jù)城市可持續(xù)發(fā)展和健康城市交通發(fā)展的需要，積極規(guī)劃城市軌道交通項目。中國地鐵和地下工程建設(shè)事業(yè)因此取得快速發(fā)展，然而越來越多的城市遇到復(fù)雜環(huán)境下的隧道施工問題，如巖溶、富水砂層、回填土等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，超小凈距、大跨度、超淺埋開挖及近距離下穿現(xiàn)有建筑物樁基礎(chǔ)，公路、鐵路等復(fù)雜施工環(huán)境。

Zhao等[1]分析了大斷面黃土隧道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)，通過優(yōu)化臺階長度、高度及開挖進尺，在超前小導(dǎo)管輔助施工下，以三臺階七步法成功實現(xiàn)隧道穩(wěn)定開挖；Chen等[2]在樂團隧道施工，對半部中隔壁法(center diaphragm,CD)、中隔壁法、交叉中隔壁法(center cross diaphragm,CRD法)開挖進行影響分析，發(fā)現(xiàn)采用上臺階CD法，在滿足巖體變形和結(jié)構(gòu)安全的前提下，可以提高施工效率和經(jīng)濟性，上臺階CD法適用于超大跨度隧道的淺埋及地下開挖；Qin等[3]以京滬高速連接線公路隧道為背景，開發(fā)三維組合大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗系統(tǒng)，對超大斷面及小空間淺埋隧道開挖過程進行模型試驗，發(fā)現(xiàn)開挖過程中左右隧洞變形會受到二次疊加擾動效應(yīng)的影響；仇文革等[4]對大斷面隧道初期支護的穩(wěn)定性做出了優(yōu)化，并對優(yōu)化隧道進行數(shù)值模擬，借助圍巖位移，塑性區(qū)及應(yīng)力指標(biāo)分析證明優(yōu)化可靠性；曹成勇等[5]通過構(gòu)建基于功效系數(shù)法的隧道施工風(fēng)險評估模型，使隧道成功穿越機荷高速公路；邱明明等[6]對四車道公路隧道開挖力學(xué)響應(yīng)進行研究，提出適合V級圍巖大跨隧道開挖方法及控制措施；Heng等[7]基于兩座超淺埋大矩形截面地下通道的實測結(jié)果，建立沉降擬合函數(shù)，提出了超淺大矩形截面城市地下通道沉降的簡單預(yù)測方法；Shi等[8]在水下隧道施工中，通過采用合理支護方法，克服水下超大斷面隧道施工難題；趙志剛等[9]采取臨時拱加固、徑向注漿加固和強化支護參數(shù)三種方法加固方法確保施工安全和進度。賈月卿等[10]通過研究淺埋偏壓隧道穩(wěn)定支護時機，發(fā)現(xiàn)拱頂變形主要受初期支護時機影響。劉德安等[11]基于離散元方法構(gòu)建泥巖隧道模型，分析圍巖變形特征，并提出相應(yīng)預(yù)加固措施；林錦騰等[12]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測手段對超淺埋隧道在開挖過程中圍巖變形規(guī)律進行了分析，開挖后的圍巖變形分為變形急増、變形緩慢和變形平穩(wěn)3個階段，且變形急増階段變形最大需重點關(guān)注。

然而以上這些研究對象大多為公路、鐵路隧道，對回填土大跨超淺埋地鐵隧道施工穩(wěn)定性研究較少。根據(jù)貴陽市地鐵1號線望新區(qū)間隧道復(fù)雜的施工情況，分析了影響回填土大跨超淺埋地鐵隧道穩(wěn)定關(guān)鍵因素，首次將三臺階七步開挖法引入地鐵區(qū)間隧道施工中，并進行了地鐵隧道穿越回填土的數(shù)值模擬研究，得出其上覆土層沉降與隧道圍巖應(yīng)力、圍壓變形規(guī)律，并且對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬進行了對比分析，為今后類似環(huán)境下地鐵隧道施工提供借鑒和參考。

1 施工工況

貴陽市軌道交通1號線望新區(qū)間左隧ZDK29+374.15～ZDK30+582.00，長為1 207.85 m，為單洞雙線隧道，斷面為五心圓仰拱曲墻式。最大開挖寬度為13.8 m，高度為9.96 m，斷面面積102.5 m2，最小埋深為5.8 m，為大跨超淺埋隧道。穿越回填土、巖溶發(fā)育區(qū)，周邊環(huán)境、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況復(fù)雜。隧道大部分位于原水塘和稻田塊石回填區(qū)，后修建城市道路，回填厚度大，回填料不均勻，密實度差、松散；沿線周邊建筑物多、施工范圍內(nèi)地下管線多，且既有雨污水管線離隧道拱頂豎向距離最近，僅為約0.2 m，污水管及雨水管均為砼管，管線滲漏嚴(yán)重，且擬建隧道為周圍地勢最低處，為周邊大氣降水、生活污水和地下水匯集區(qū)，隧道施工中掌子面涌水量大施工難度大，安全風(fēng)險高。

在如此復(fù)雜的水文、地質(zhì)條件和周圍建筑環(huán)境下進行大跨度、超淺埋地鐵區(qū)間隧道的開挖在國內(nèi)還是比較少見。施工中存在掌子面涌水，流砂及地表塌陷的危險，因此要求絕對沉降控制在30 mm內(nèi)，差異沉降控制在5 mm內(nèi)，沉降速率控制3 mm/d在以內(nèi)，當(dāng)達到預(yù)警值80%時停止施工。

2 隧道穩(wěn)定性關(guān)鍵影響因素分析

2.1 巖性的影響

圍巖的穩(wěn)定通常會受到圍巖的巖石性質(zhì)和巖體結(jié)構(gòu)的影響，這是影響圍巖穩(wěn)定性的基本要素。如果隧道圍巖的整體性較差，則強度較低、節(jié)理裂隙發(fā)育或圍巖破碎，即圍巖破碎、較破碎或極破碎。那么圍巖的次生應(yīng)力會產(chǎn)生較大的塑性變形或破壞帶，而節(jié)理裂隙間的巖層錯動會增加滑動變形，它將對圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響，不利于隧道硐室的穩(wěn)定。

該隧道拱頂部位及隧道上覆土層為回填土，回填土層主要由塊石、少量碎石及黏土組成，硬雜質(zhì)含量45%～60%，粒徑為8～45 cm，局部達1 m，由于回填稻田及水塘，這類混合填料的厚度變化很大，均勻性差，土層結(jié)構(gòu)松散，有機質(zhì)含量較多，承載力低，壓縮性高，暴露在水中容易濕陷[13]。同時由于不同的堆填方式，一般回填厚度不均勻，土層含有各種其他成分，而且沉積時間較短，處理難度較大，影響本隧道的開挖。

2.2 埋深與覆跨比的影響

現(xiàn)代地鐵隧道的修建逐漸向大跨度、小凈高[2]的方向發(fā)展，并且埋深較淺，開挖后周圍巖體會產(chǎn)生位移，難以形成自然平衡拱，所以會導(dǎo)致地層變形、沉降，對隧道施工、周圍環(huán)境產(chǎn)生影響。

進行淺埋暗挖隧道的設(shè)計時，通常會考慮覆跨比，合理的覆跨比是確保淺埋暗挖隧道施工安全經(jīng)濟的重要前提[14]。覆跨比通常由h/d確定，其中h為隧道埋深，d為隧道跨度，如圖1所示，當(dāng)覆跨比低于0.6時，地層會隨拱頂沉降產(chǎn)生較大沉降；地層可形成承載拱時，覆跨比介于0.8～1.2；地層可充分形成承載拱時，覆跨比大于1.2；當(dāng)覆跨比介于2～3時，隧道開挖對地層沉降的影響較小。

望新區(qū)間隧道最小埋深為5.8 m，覆跨比最小為0.4，所以為超淺埋隧道，且隧道上覆土及拱頂開挖范圍內(nèi)均為回填土，難以形成地層承載拱，松弛壓力較大，開挖過程中地面沉降較大，拱頂易發(fā)生坍塌事故。

圖1 覆跨比示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of thickness-span ratio

3 數(shù)值計算

3.1 數(shù)值模型

現(xiàn)代數(shù)值模擬方法在工程實際應(yīng)用和科學(xué)研究中具有重要的作用，是分析工程結(jié)構(gòu)變形、失穩(wěn)和破壞的重要手段之一。

在模擬過程中，計算模型只考慮一定范圍內(nèi)的土體特性，在計算過程中對實際工程進行簡化，只考慮圍巖自重[15]，模型下部受Z方向位移約束，側(cè)部受X方向的位移約束。模型在水平方向上左右兩邊取3倍洞跨，豎向埋深設(shè)定為5.8 m，開挖寬度為13.8 m，斷面面積為102.5 m2，覆跨比為0.43，隧道截面按五心圓仰拱曲墻式設(shè)計。

模型建立過程中，圍巖為實體單元，材料力學(xué)模型選用Drucker-Prager模型，相較于Mohr-Coulomb模型來說，考慮了中間主應(yīng)力的影響，收斂性較好，適用范圍廣；噴混支護采用板單元；錨桿以植入式桁架單元模擬，三維計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型Fig.2 Calculation model

3.2 計算參數(shù)

隧道拱頂上方為回填土，回填土物理參數(shù)經(jīng)由現(xiàn)場實測進行選取；洞身開挖范圍內(nèi)為回填土及中風(fēng)化砂巖，洞身開挖范圍以下為強風(fēng)化泥巖；模擬計算時支護使用錨桿加噴混，錨桿長度為4 m，直徑為0.025 m；噴混厚度為0.3 m，開挖過程中支護結(jié)構(gòu)強度經(jīng)等效換算添加到噴混中，計算過程中使用的巖體及支護結(jié)構(gòu)具體計算參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模型計算參數(shù)Table 1 Numerical model calculation parameter

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 圍巖應(yīng)力分析

隧道模擬施工過程中，開挖進尺為1 m，模擬10個開挖循環(huán)。通過圍巖應(yīng)力分析，可以準(zhǔn)確地反映隧道開挖過程中圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，可為之后的現(xiàn)場施工提供指導(dǎo)。圖3、圖4分別為一個開挖循環(huán)完成過程及隧道10個開挖循環(huán)完成的應(yīng)力云圖。

由分步應(yīng)力云圖(圖3)分析可知，上臺階拱部開挖，開挖面積小，圍巖應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力；在中臺階右導(dǎo)洞開挖，左導(dǎo)洞支護完成后，圍巖應(yīng)力進一步釋放，核心土上部及兩側(cè)導(dǎo)洞局部均出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)，縱向分布范圍接近2 m，此時最大拉應(yīng)力達0.012 MPa，同時下臺階導(dǎo)洞預(yù)開挖面局部區(qū)域也出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，縱向擴展范圍接近1 m，說明中臺階的開挖對隧道兩幫圍巖擾動較大。

中臺階右導(dǎo)洞支護完成，下臺階左導(dǎo)洞開挖后，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在左導(dǎo)洞側(cè)壁及左側(cè)拱腳處，其值為0.035 MPa，較之前增大0.023 MPa，上、中核心土開挖面上部形成的拉應(yīng)力區(qū)進一步延伸，較之上一步范圍擴大，縱向擴展為3.1 m；下臺階右導(dǎo)洞開挖支護，左、右拱腳處均出現(xiàn)拉應(yīng)力，拱腰處開始出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)，壓應(yīng)力達到0.68 MPa，產(chǎn)生應(yīng)力集中；從核心土開挖到仰拱施作完成，初支封閉，左、右拱腳處的應(yīng)力由拉轉(zhuǎn)變?yōu)閴海渲抵饾u減小。

由圖4分析，三臺階隧道10個開挖循環(huán)完成后，拱頂及拱腰所受應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，其值變化不大；但拱底由0.145 MPa的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)?.041 MPa的拉應(yīng)力，變化范圍為0.186 MPa，變化范圍大，可見核心土及仰拱的開挖主要對拱底圍巖擾動較大。隧道開挖完成，拱腰處為高應(yīng)力區(qū)，壓應(yīng)力最大值為1.025 MPa。

分析可知，由于上臺階拱部開挖面積小，對拱頂圍巖擾動較??；中、下臺階導(dǎo)洞開挖對隧道兩幫圍巖擾動較大；核心土及仰拱開挖，對拱底圍巖應(yīng)力分布影響較大；在開挖過程中，易造成拱腰部位圍巖應(yīng)力集中，在實際開挖過程中應(yīng)采取相應(yīng)措施加以控制。

圖3 一個開挖循環(huán)完成應(yīng)力云圖Fig.3 Completion stress nephogram of a excavation

圖4 隧道10個開挖循環(huán)完成圖Fig.4 Tunnel excavation completion with 10 cycle

3.3.2 圍巖變形分析

通過隧道圍巖沉降變形分析，可實時反映本隧道在開挖過程中圍巖各關(guān)鍵節(jié)點的沉降變形情況，判斷隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定狀況及施工方法在本隧道開挖中是否可行，也可為之后施工提供借鑒及指導(dǎo)。

由圖5分析可知，上臺階拱頂部位開挖完成后，最大沉降出現(xiàn)在拱頂，沉降量達到3 mm，拱肩部位的沉降量次之；中臺階左導(dǎo)洞開挖，拱頂支護完成后，拱頂沉降繼續(xù)發(fā)展，此時拱頂最大沉降接近4 mm；從中臺階右導(dǎo)洞開挖，到仰拱開挖完成，拱頂最大沉降大約為4.8 mm，拱頂沉降速率較?。粡南屡_階核心土開挖到仰拱開挖完成，拱底部位隆起相對之前工序變化較大，隆起值為1.7 mm，可見核心土及仰拱開挖對拱底隆起影響較大；當(dāng)上臺階完全貫通后，此時拱頂沉降數(shù)值突變，達到7 mm，在施工過程中要對上臺階貫通嚴(yán)密監(jiān)測；中、下臺階相繼貫通過程中，拱頂沉降速率平緩，與上臺階貫通后數(shù)值無太大變化；最終拱頂沉降量達7.25 mm，拱底隆起量為4.98 mm。

圖5 拱頂沉降Fig.5 Vault settlement

分析可知，在開挖過程中拱頂在開挖初期及貫通時期會產(chǎn)生較大瞬時沉降，沉降值達3 mm及4 mm，沉降速率較大；開挖過程中拱頂沉降主要受上臺階開挖影響，中、下臺階導(dǎo)洞開挖次之，核心土開挖影響較小；核心土及仰拱開挖對拱底土層會產(chǎn)生影響。由此可見，該施工工法對圍巖變形控制較好。

4 現(xiàn)場沉降監(jiān)測

通過影響開挖穩(wěn)定性關(guān)鍵影響因素分析及施工過程模擬，進行現(xiàn)場施工，并對現(xiàn)場沉降進行監(jiān)測。隧道施工監(jiān)測能在過程中監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)變形受力，通過數(shù)據(jù)修正施工參數(shù)和工序；另外，現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)能很好地指導(dǎo)隧道設(shè)計施工，保障隧道施工中結(jié)構(gòu)的安全[16]。

在這里選取施工中最不利斷面DC117進行地表和拱頂沉降分析。該斷面埋深為5.8 m，斷面面積達100.5 m2，在施工中出現(xiàn)過地下涌水，可直觀反映出現(xiàn)場施工的復(fù)雜情況和圍巖變形。地表布置01～06監(jiān)測點進行地表沉降監(jiān)測，拱頂、拱腰、拱腳、仰拱的變形分別由a、b-e、f-h、g點進行檢測，監(jiān)測點布置如圖6所示。由于監(jiān)測點較多，限篇幅有限，在這里只選取有代表性的地表監(jiān)測點03、04及拱頂監(jiān)測點a進行分析，其他監(jiān)測點的圍巖變形情況與數(shù)值模擬規(guī)律類似，且都沒有超出施工監(jiān)測的預(yù)警值，在這里不再贅述。

圖6 監(jiān)測點布置圖Fig.6 Monitoring point layout

4.1 地表沉降監(jiān)測與分析

由圖7分析可知，隧道上臺階導(dǎo)洞開挖初期，對圍巖擾動范圍較小，地面沉降變化較穩(wěn)定；8 d之后中臺階導(dǎo)洞開挖，圍巖受擾動范圍擴大，沉降速率逐漸增大；15 d之后下臺階導(dǎo)洞開挖，圍巖受擾動范圍進一步擴大，沉降速率增大；當(dāng)28～35 d后，地面沉降速率明顯放緩，這時圍巖應(yīng)力重新分布完成，且各部分開挖后施做的支護對圍巖變形起到控制作用；從35 d后，地表變形速率基本趨于穩(wěn)定。最終地表最大沉降為15 mm，最大差異沉降為4.5 mm，符合施工要求。

4.2 拱頂沉降監(jiān)測與分析

由圖8分析可知，拱頂最大沉降量接近12 mm。拱頂上臺階導(dǎo)洞在超前支護保護下進行開挖，圍巖受擾動范圍小，拱頂瞬時沉降量為1.2 mm，相較模擬過程沉降量較??；圍巖受中、下臺階導(dǎo)洞開挖的影響，擾動范圍增大，8 d之后拱頂沉降速率出現(xiàn)增大趨勢；28 d之后拱頂沉降速率放緩，圍巖應(yīng)力重分布完成，各部分開挖后施做的支護對圍巖變形起到控制作用，拱頂最終沉降量接近12 mm。對比地表沉降，可見拱頂沉降相對較小，這是由于在隧道施工過程中，地表不僅受到開挖影響，也受到地下水影響，存在地層損失，所以相對來說沉降更大。

圖7 地表沉降監(jiān)測圖Fig.7 Ground surface settlement monitoring

圖8 拱頂沉降監(jiān)測圖Fig.8 Vault settlement monitoring

經(jīng)上述數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測對比分析，可見拱頂實際沉降相較模擬過程要大，主要是因為模擬過程中考慮的因素較為單一，簡化了施工過程，并且沒有考慮周邊環(huán)境對施工的影響。

5 結(jié)論

通過對回填土區(qū)大跨超淺埋地鐵隧道開挖穩(wěn)定性研究，得到如下結(jié)論。

(1)回填土大跨超淺埋地鐵隧道開挖承壓拱難以形成，開挖過程中要進行著重控制。

(2)施工過程中，上臺階導(dǎo)洞開挖對拱頂沉降影響較大，中、下臺階導(dǎo)洞開挖次之，其他部位開挖影響較小，在施工過程中應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)測三臺階導(dǎo)洞開挖；同時受地下涌水等因素的影響，地表沉降較拱頂沉降大，施工中防排水重點控制。

(3)開挖過程中，中下臺階對兩幫圍巖擾動較大；受下臺階導(dǎo)洞開挖影響，拱腰部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中，需要著重控制。