鄒 翀，金星亮，高笑娟，胡曦波，梁 斌

(1.中鐵隧道集團勘測設計研究院,河南 洛陽 471009；2.河南科技大學 土木工程學院,河南 洛陽 471023；3.中鐵重慶地鐵建設指揮部，重慶 401120)

超大斷面隧道雙側壁導坑法開挖步序優(yōu)化

鄒 翀1，金星亮2，高笑娟2，胡曦波3，梁 斌2

(1.中鐵隧道集團勘測設計研究院,河南 洛陽 471009；2.河南科技大學 土木工程學院,河南 洛陽 471023；3.中鐵重慶地鐵建設指揮部，重慶 401120)

重慶市軌道交通5號線1期3標段為富水淺埋扁平超大斷面隧道工程，采用9步雙側壁導坑法中的對稱開挖步序施工。應用MIDAS-GTS軟件建立隧道三維有限元模型，計算了3種不同開挖步序條件下地表沉降、圍巖變形和支護結構受力情況，并將計算結果與現場監(jiān)測數據進行了對比驗證。驗證結果表明：扁平超大斷面隧道拱頂區(qū)域受力作用面較大，拱頂區(qū)域圍巖及噴混支護應力較大，拱頂穩(wěn)定性較低，拱腳應力集中。施工階段隧道結構對橫向變形較為敏感，3種開挖步序拱腳水平收斂值曲線隨施工步序呈現多臺階變化；中隔墻核心土拆除時，水平收斂值及拱頂沉降值曲線出現突變，該階段應增大監(jiān)測頻率。對3種施工步序進行了數值模擬，提出了本工程地質條件下大跨扁平隧道施工的合理步序。

淺埋扁平超大斷面隧道；圍巖應力；雙側壁導坑法；開挖步序優(yōu)化

0 引言

在圍巖穩(wěn)定性較差的工程地質條件下進行淺埋超大斷面隧道的施工，易發(fā)生工程事故，雙側壁導坑法因其能夠有效控制地表下沉，保持掌子面的穩(wěn)定性而得到了廣泛應用[1-4]。但是，采用雙側壁導坑法開挖，斷面分區(qū)較多、施工步序多并且斷面不能及時封閉成環(huán)[5-7]，因而，在保證工程安全和質量的前提下，調整施工步序，對加快施工效率具有重要意義[8]。

目前，關于雙側壁導坑法關鍵施工技術，國內外學者主要采用理論與數值分析相結合的方法進行研究。文獻[9]通過優(yōu)化開挖步序以及增加橫通道的設置，加快了依托工程施工進度。文獻[10]采用數值模擬，分析了兩種不同開挖步序對隧道圍巖穩(wěn)定性和支護結構內力的影響，對施工步序進行了優(yōu)化。文獻[11]采用數值模擬，對調整后施工步序的安全性進行了分析。

本文以重慶軌道交通5號線1期3標段隧道工程為依托，采用數值分析軟件對隧道施工過程進行動態(tài)模擬，計算并分析了隧道施工階段地表沉降、圍巖豎向位移、隧道橫向變形、圍巖及噴混支護應力分布等力學特性規(guī)律。對原設計施工步序進行了調整，建立了包括原設計施工步序在內的3種施工步序三維模型，對隧道施工階段圍巖穩(wěn)定性進行了分析，并將數值分析數據與現場實測數據進行了對比，得到優(yōu)化改進的施工步序方案。

1 工程概況與步序調整方案

1.1 工程概況

重慶市軌道交通5號線1期3標段人和站～幸福廣場站區(qū)間隧道為單拱四線地鐵隧道，隧道開挖空間最大高度17.2 m，跨度27.6 m，總開挖面積388.47 m2，扁平率約0.62，隧道洞頂巖層厚度為16.2～20.7 m。場地內地下水主要為上層滯水和基巖風化裂隙水，地表水徑流條件較好，地下水補給范圍小，地下水分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。擬建場地出露地層主要由砂質泥巖組成，質量等級為IV級。根據重慶市軌道交通5號線幸福廣場站及區(qū)間大跨隧道斷面的設計，大跨區(qū)間隧道采用9步雙側壁導坑法施工。

1.2 雙側壁導坑法開挖步序調整方案

(Ⅰ)雙側壁導坑法設計施工步序

采用9步雙側壁導坑法施工，圖1為依托隧道工程的設計施工步序圖，其中：①～⑨為橫向施工步序。如圖1所示，設計施工步序為：進行超前支護，開挖左①土體，施作初期支護和臨時支撐；開挖右②土體，施作初期支護和臨時支撐；待兩側導坑貫通后拆除臨時支撐，開挖上部核心土⑦，施作初期支護；依次進行⑧和⑨土體的開挖及支護；隧道開挖完成施作仰拱和兩側直墻；最后施作二次襯砌。該施工步序可稱為對稱開挖步序。斷面開挖步序平面圖見圖2，圖2中：1～11為縱向施工步序。

圖1 設計施工步序圖 圖2 斷面開挖步序平面圖

(Ⅱ)雙側壁導坑法步序調整方案

為了探討施工最佳方案，在原設計施工步序(即對稱開挖步序)的基礎上，另外模擬了兩種施工步序。

模擬工況1：該步序為先開挖左側導坑，待①、③、⑤導坑土體貫通后，再開挖右側導坑；雙側導坑土體開挖完成貫通后開始拆除⑦、⑧、⑨核心土，其他施工步序不變。由于先開挖一側導坑土體，故稱為單側開挖步序。

模擬工況2：按照原設計進行①、②、③土體的開挖，④、⑦、⑧土體同時開挖；最后同時開挖⑤、⑥、⑨土體，其他施工步序不變。由于中間核心土開挖成“L”形，故稱為“L”形開挖步序。

2 計算模型

采用MIDAS-GTS有限元分析軟件在工作平面中建立整體坐標系，X軸方向為隧道橫向，Y軸方向為隧道縱深方向，Z軸方向為豎向，建立隧道三維數值模型。采用不同的單元模擬隧道開挖建設中不同的組件，結合工程賦予不同單元材料屬性。隧道圍巖本構模型采用莫爾-庫倫模型；錨桿、鋼拱架和混凝土采用線彈性模型。圍巖采用三維實體單元模擬，錨桿采用受軸向拉壓力的植入式桁架單元；噴射混凝土采用平面應變2D面單元；鋼拱架采用工字型截面梁單元。初期支護的模擬考慮了錨桿、鋼拱架和噴射混凝土的共同作用[12]。隧道修建區(qū)域地下水豐富，為保證分析符合工程實際，在模型的左右兩側加上20 m的壓力水頭[13]，采用施工階段助手對隧道開挖過程進行仿真模擬[12]。噴射混凝土采用 30 cm 厚C25混凝土；二次襯砌采用100 cm厚C40鋼筋混凝土。隧道圍巖及結構材料基本力學參數見表1。

根據無限邊界和有限元分析理論，結合實際工程，計算模型兩側圍巖選用2倍洞徑寬度，底部圍巖取2倍洞徑作為有限元分析范圍，隧道深度為50 m，模型的左右邊界為水平方向約束，頂部為自由邊界，底部邊界豎向和水平方向約束。

表1 隧道圍巖及結構材料基本力學參數

3 結果與分析

3.1 不同開挖步序的沉降值和收斂值隨開挖步序變化規(guī)律

為便于分析重慶市軌道交通5號線1期3標段大跨扁平淺埋隧道斷面地表沉降、拱頂沉降和水平向的收斂變化規(guī)律，選取對應地表關鍵點、拱頂關鍵點和拱腰關鍵點數據進行分析。3種開挖步序法的地表沉降值隨開挖步序的變化見圖3。圖3中：施工步序為隧道開挖過程步序，曲線突變分別對應隔墻⑦、⑧、⑨核心土開挖步序。

圖3 地表沉降值隨開挖步序的變化

從圖3可以看出：3種開挖步序地表沉降值曲線在開挖預留核心土時出現突變，這是由于預留核心土開挖后，失去了對隧道頂部的支撐作用。其中，“L”形開挖步序地表沉降為 5.47 mm；單側開挖步序和對稱開挖步序變化幅度基本一致，單側開挖步序最終地表沉降4.33 mm；對稱開挖步序最終地表沉降 4.32 mm，兩種步序沒有明顯區(qū)別。單側開挖步序施工過程中地表隆起現象較小，可忽略。整體來看，3種開挖步序的地表沉降都不大，遠小于規(guī)范允許值 (30 mm)[12]。

圖4為拱頂沉降值隨開挖步序的變化圖。由圖4可知：3種開挖步序的拱頂沉降值隨開挖步序變化規(guī)律一致，單側開挖步序拱頂沉降為8.75 mm；對稱開挖步序拱頂沉降為8.64 mm；“L”形開挖步序拱頂沉降為7.48 mm，較前兩種步序小。

圖5反映了3種開挖步序的拱腳水平收斂值隨施工步序的變化。單側開挖步序和對稱開挖步序拱腳水平收斂值呈四臺階變化，第一個上升臺階出現在一側導洞貫通后；第二臺階出現在另一導洞貫通后；第三臺階出現在預留核心土上部開挖后；第四臺階出現在隧道貫通后?！癓”形開挖步序由于其施工步序少，出現兩臺階變化，第一臺階出現在兩側導洞貫通后；第二臺階出現在核心土成“L”形開挖后，但拱腳水平收斂值得到了有效控制。

圖4 拱頂沉降值隨開挖步序的變化圖5 拱腳水平收斂值隨開挖步序的變化

整體來看，“L”形開挖步序的拱頂沉降、底部隆起及水平收斂值均得到了有效控制；“L”形開挖步序的施工步序較少，在保證質量和安全的前提下，能夠有效地縮短施工周期，減少施工成本。

3.2 不同開挖步序的圍巖應力隨開挖步序變化規(guī)律

圍巖應力云圖與位移云場分布規(guī)律類似，不再給出圍巖應力云圖。圍巖應力云圖結果表明：3種開挖步序隧道貫通后，圍巖應力場基本都呈對稱分布。單側開挖過程中，應力場會有不對稱分布情況，貫通后基本呈對稱分布；兩側對稱開挖施工過程中圍巖應力場基本都呈對稱分布；“L”形開挖過程中出現圍巖應力場不對稱分布，這是由于開挖過程的不對稱造成的。3種工況開挖完成后，圍巖應力場呈對稱分布。

圖6為拱頂圍巖有效應力隨開挖步序變化曲線圖。從圖6可看出：對稱開挖步序施工過程中，圍巖有效應力穩(wěn)定發(fā)展，而單側開挖和“L”形開挖步序拱頂圍巖有效應力會出現突變情況。單側開挖及“L”形開挖步序突變位置為掌子面處，由于預留核心土的開挖，掌子面拱頂圍巖應力得到了釋放。整體來看，單側開挖步序及“L”形開挖步序拱頂圍巖有效應力比對稱開挖步序法小，兩者拱頂圍巖最終有效應力穩(wěn)定值均較小。

圖7為拱腰圍巖有效應力隨開挖步序變化曲線圖。從圖7可看出：拱腰圍巖有效應力隨開挖步序出現兩次突變的過程。第一次突變是由于左右導坑的開挖，第二次突變是由于失去中隔墻支撐作用。3種開挖步序拱腰圍巖應力變化規(guī)律基本一致，在失去中隔墻核心土支撐時，拱腰圍巖都承受較大應力。其中，“L”形開挖步序最終拱腰圍巖應力較另外兩種步序小，說明“L”形開挖步序在本工程中有一定的優(yōu)勢。

圖6 拱頂圍巖有效應力隨開挖步序變化曲線圖圖7 拱腰圍巖有效應力隨開挖步序變化曲線圖

3.3 支護受力分析

3種開挖步序關鍵點的噴混主應力及錨桿軸力分別見表2和表3。

表2 關鍵點的噴混主應力 MPa

表3 關鍵點的錨桿軸力 kN

由表2和表3可知：單側開挖步序噴混最大和最小主應力位置均位于拱腳，分別為壓應力4.66 MPa、15.20 MPa;最大錨桿軸力位于拱腳,為61.90 kN。對稱開挖步序噴混最大壓應力位于拱頂,為2.74 MPa；最大拉應力位于拱腰,為1.04 MPa；最小主應力位于拱腳，為14.60 MPa；最大錨桿軸力位于拱頂，為53.10 kN?！癓”形開挖步序噴混最大和最小主應力位于拱腳，分別為拉應力1.18 MPa、壓應力12.20 MPa；最大錨桿軸力位于拱腳，為40.30 kN。3種開挖步序中，“L”形開挖步序在關鍵點的拱頂、拱腰及拱腳噴混最大絕對值壓應力值最小。

由表3可知：單側開挖及對稱開挖步序錨桿軸力在拱頂及拱腳位置處均較大，這是由于扁平隧道上部作用力面積較大，承受較大力的作用。在實際施工中，由于拱頂位置的特殊性，其錨桿的錨固效果比其他部位差，“L”形開挖步序能夠很好地解決該問題，其拱頂錨桿軸力較小，最大錨桿軸力位于拱腳。

3.4 結果對比分析

表4為圍巖關鍵點應力位移情況，表5為支護內力最大值對比情況。由表4和表5可看出：“L”形開挖步序在控制圍巖豎向位移、噴混主應力、拱腳水平收斂及錨桿軸力方面，相較單側開挖步序及對稱開挖步序具有一定優(yōu)勢。

表4 圍巖關鍵點應力位移

表5 支護內力最大值對比

從開挖步序復雜程度來看：單側開挖步序9個導坑分66步開挖支護。對稱開挖步序分52步施工，相較單側開挖步序減少，且在圍巖豎向位移及收斂方面比單側開挖步序小，對稱開挖步序優(yōu)于單側開挖步序?！癓”形開挖步序分46步序開挖，相比單側開挖步序施工步序少，能夠提高施工效率。單側開挖及對稱開挖步序在控制指標變形速率方面有優(yōu)勢，這是由于“L”形開挖步序施工步序少；在拱頂下沉、地表沉降、拱腳水平收斂、噴混主應力以及支護受力最終穩(wěn)定值方面，“L”形開挖步序具有優(yōu)勢。

4 數值模擬與監(jiān)測數據對比分析

4.1 監(jiān)測洞內外埋點布置概況

大跨淺埋扁平段隧道總長52 m，水平凈空收斂和拱頂下沉測點設置3個測試斷面，地表沉降測點每隔10 m設1個斷面，每斷面設6個測點，每測點間隔8 m。洞內測點部分布置圖及地表沉降點布置圖分別見圖8和圖9。根據TB 10003—2005《鐵路隧道設計規(guī)范》[14]要求及設計文件規(guī)定，水平收斂不應大于30 mm，警戒值為20 mm；拱頂下沉不應大于50 mm，警戒值為30 mm。

圖8 洞內測點部分布置圖圖9 地表沉降測點布置圖

4.2 數值模擬與監(jiān)測數據對比

3種開挖步序對比分析中，對稱開挖步序為現場施工設計開挖方案，這里將現場的監(jiān)測數據與對稱開挖的有限元數值模擬結果進行對比分析。拱腳水平收斂值對比曲線和地表沉降值對比曲線分別見圖10和圖11。

圖10 拱腳水平收斂值對比曲線圖11 地表沉降值對比曲線

由圖10和圖11可知：拱腳水平收斂值與實測值較為吻合，地表沉降實測值比模擬值大，數據波動且有回彈。原因可能是：(Ⅰ)隧道地表線路原始地貌屬構造剝蝕丘陵區(qū)，經人工后期改造為城市主干道，且地層有人工填土，在雨水的作用下實際地表沉降值比數值計算值大；(Ⅱ)現場施工條件復雜、爆破等開挖對周圍圍巖有一定擾動；(Ⅲ)重慶地區(qū)雨水較多，地下水豐富，地下水對隧道圍巖穩(wěn)定性有一定影響；(Ⅳ)雙側壁導坑法分步多，施工步序繁雜，斷面不能及時進行支護封閉成環(huán)。

整體看實測值與模擬值變化曲線趨勢規(guī)律一致，數量級相當，數值模型模擬結果合理，由數值模擬分析可知：改進后的雙側壁導坑法“L”形步序調整方案可用。本優(yōu)化方案在重慶軌道交通5號線1期3標段人和站～幸福廣場站區(qū)間隧道后續(xù)施工中得到初步應用，取得了理想效果。

5 結論

(1)采用MIDAS-GTS軟件對調整后和原設計開挖步序施工方案進行動態(tài)模擬，將模擬數據與現場實測數據進行對比分析，數值模擬結果與現場實測數據規(guī)律基本一致，數量級相當，數值模擬方案合理，可為類似工程提供參考。

(2)隧道開挖過程中，當拆除中隔墻核心土時，拱頂下沉、地表沉降及拱腳水平收斂控制指標均會出現突變現象，現場施工中應當加強監(jiān)測頻率，密切關注控制指標變化情況，保證施工安全。

(3)從拱頂下沉、地表沉降、拱腳水平收斂、噴混主應力以及支護受力等方面，對3種開挖步序進行對比分析，綜合考慮，在保證質量和安全的前提下，“L”形步序調整開挖方法施工步序較少，能夠有效地縮短施工周期，減少施工成本，“L”形開挖步序調整方案為最優(yōu)。

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國家自然科學基金項目(11402077)；河南省科技廳產學研合作基金項目(2015HNCXY011)

鄒翀(1971-),男,江西南昌人,教授級高級工程師,主要研究方向為隧道與地下工程.

2016-09-13

1672-6871(2017)04-0066-06

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.04.014

U455

A