申玉生，何尉祥，赵 乐，何永辉
(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031)
摘 要：针对某新建地铁浅埋暗挖矩形隧道的工程特点，采用FLAC3D软件对各导洞不同开挖顺序的施工方案进行数值模拟。通过对比分析地表沉降、隧道拱顶沉降、底板隆起位移、初期支护内力等指标，寻求区间隧道周边地层变形及结构受力的特点和规律，从而选出最优的施工方案。研究表明：矩形隧道断面6导洞(先中间后两边)非对称开挖顺序可有效控制地层变形和结构受力；地铁区间隧道地表沉降曲线呈现“凹槽”形状，在隧道横断面方向影响范围约为4倍开挖跨度，掌子面开挖过后监测断面处地表沉降量所占比例约为60%；隧道拱顶沉降和底板隆起位移大部分发生在掌子面位于监测点前后10 m范围内，各导洞开挖顺序对支护结构内力影响较小；工程应用实践表明采用推荐的6导洞施工方案是安全可行的。
关键词：地铁；浅埋隧道；矩形隧道；开挖顺序；数值模拟；施工方案
随着我国国民经济的快速发展，城市的建设规模也迅速扩大，近年来以隧道形式穿越公路、铁路及其他构筑物的工程逐渐增多[1-5]。如深圳地铁重叠隧道、广州地铁3号线盾构隧道下穿广州火车站、包兰线增建二线八米源隧道下穿既有陇海铁路、206国道改造工程拾荷隧道下穿广梅汕铁路等。隧道近距离下穿既有道路或其他构筑物是浅埋暗挖施工中的技术难题，因施工措施不当、地质水文灾害等原因引起路面大量沉降甚至坍塌，造成交通中断的工程事故时有发生，导致巨大的经济损失和不良的社会影响，因此，隧道近距离下穿交通工程是浅埋暗挖施工中需要高度重视的问题。
浅埋暗挖法是在新奥法的基础上，结合中国国情创立起来的，它的特点是采用量测信息反馈法进行设计和施工，同时采取超前支护和改良地层注浆加固等配套技术来完成隧道建设[6-7]。浅埋暗挖隧道下穿既有线施工时可通过数值分析对初步拟定设计方案进行模拟验证，优化施工方法及工程措施[8]。国内外学者对采用浅埋暗挖隧道施工的支护措施和地层沉降规律进行了广泛研究[9-17]，但对浅埋暗挖大断面矩形隧道施工工序研究较少。
昆明某地铁区间采用矩形暗挖隧道结构断面穿越既有交通线路工程，该隧道具有断面大、地质条件差、埋深浅的特点。隧道矩形断面采用6导洞分部开挖法施工，主要研究该隧道施工过程中衬砌结构的变形与受力变化规律，确定最优施工技术方案，指导现场实际施工，同时通过现场监控量测数据反馈与验证。本文研究成果可为类似工程施工设计提供一定的借鉴与参考。
昆明某地铁区间暗挖隧道以小角度下穿高速公路，区间隧道埋深约5～6 m，长度156 m。隧道采用“中导洞法”施工，隧道矩形断面尺寸为11.6 m×7.0 m。隧道采用复合式衬砌施工，以钢筋网、喷射混凝土和钢架为初支，二次衬砌采用模筑钢筋混凝土。隧道辅助措施采用φ42 mm超前注浆小导管、φ180 mm(壁厚10 mm)超长大管棚(70～80 m)等，如图1所示。
图1 区间矩形隧道断面(单位：m)
本工程区段地层主要为人工填土及软土。杂填土分布于全段表层，厚度0.5～6.4 m，成分复杂，结构疏密不均，物理力学性质较差。素填土局部分布于杂填土下部，厚度2.8～9.4 m，可塑状态，压密不均，物理力学性质较差，隧道开挖不能自稳。本段内低凹沟谷地段分布淤泥质黏土呈软～可塑状，揭示厚度1.9～2.5 m，埋深6.4～6.5 m，分布于高速公路下部沟槽内，呈条带状分布，具有孔隙比大、含水量高、压缩性大、承载力低、灵敏度较高等特点。
隧道施工前首先进行大管棚施工，拟采用6导洞分部法进行开挖，但各导洞的开挖顺序尚不确定，需要做进一步的研究分析。本文采用FLAC3D软件进行隧道开挖模拟，对各导洞不同开挖顺序进行比选分析。
2.1 计算模型及参数
隧道计算模型的范围按侧边取5倍的隧道开挖跨度，底部向下取3倍开挖高度，埋深取6 m，模型水平方向(x向)长度为56.9 m，纵向(y向)长度为40 m，竖向(z向)为26.8 m。隧道围岩、临时支撑和二次衬砌采用实体单元模拟，初期支护采用壳单元模拟。管棚和注浆小导管超前支护等效为围岩加固区，通过提高围岩的材料参数来模拟。计算模型左、右、前、后和下部边界均施加法向约束，上面的地表为自由边界，计算模型见图2。隧道地层视为摩尔-库仑弹塑性材料，支护结构视为弹性材料，隧道围岩及支护结构物理力学参数见表1。
图2 计算模型
表1 隧道围岩及支护结构物理力学参数
名称容重/(kN/m3)厚度/m弹性模量/GPa泊松比内摩擦角/(°)黏聚力/kPa杂填土18.56.40.00650.38620素填土192.10.01620.351025黏土19.57.80.040.331230白云质灰岩2010.50.10.32240管棚加固区23—70.2835200初期支护250.3533.50.22——临时支撑250.332.70.23——
在确定采用6导洞方案之后，需要确定各导洞的开挖顺序组合。应遵循的原则为：下导洞的开挖应在其正上方导洞开挖之后进行。故主要研究工序为先中间后两侧和先两侧后中间的开挖顺序。本文提出了4种开挖方案进行比选，如图3所示。方案1和方案2为先开挖紧邻的上下导洞，方案3和方案4为先开挖全部上导洞再开挖下导洞。每个导洞施工循环进尺均为1 m，相邻序号的导洞掌子面间纵向间距为4 m。
注：①～⑥为开挖工序
图3 隧道不同开挖方案
研究分析指标为中间断面处(Y=20 m)的地表沉降、拱顶沉降、底板隆起位移及初期支护内力等，监测点布置见图4。
图4 目标断面监测点布置示意(单位：m)
2.2 地表沉降分析
图5为隧道开挖过程中4种方案的地表沉降曲线(Y=20 m断面)。可以看出，在横向上，地表沉降曲线表现出“凹槽”的形状。隧道区域以外的地表沉降曲线的斜率比隧道中心线处的更大，隧道区域的地表沉降较为均匀，曲线斜率较小，这主要是因为隧道上方和两侧管棚的支护作用限制了土体的沉降。最大沉降量都发生在隧道中心线对应的地表处，距离隧道中心线越远，地表沉降越小，影响范围约为4倍隧道开挖跨度。方案1和方案2线路中心偏右线侧沉降较左线大，表现出非对称性。主要是因为施工按照先中导洞，再右线导洞，最后左线导洞的施工顺序。先开挖的隧道围岩应力释放更大，位移也相应更大。随着掌子面距离监测断面越来越近，地表沉降也在逐渐增大，各方案地表沉降值随掌子面位置变化见表2。
由表2可知，隧道开挖引起的地表某监测点的沉降大部分都发生在掌子面通过监测断面之后，所占比例约为60%。总体来看，方案1在控制地表沉降方面更有优势。
图5 地表沉降曲线
表2 地表沉降值随掌子面位置变化
地表沉降方案1方案2方案3方案4最终沉降值/mm-11.5-13-14.3-14开挖到20m沉降值/mm-4-4.5-6.1-4.9占总沉降值的比例/%35354335
2.3 拱顶沉降分析
选择Y=20 m断面处上部中导洞①洞的拱顶沉降作为典型分析，将4种方案拱顶沉降曲线绘于图6。由图6可知，4种开挖方案的拱顶沉降相差不大，最终沉降均为20 mm左右。开始开挖阶段，Y=20 m处拱顶沉降为2～3 mm，在掌子面位于监测断面前方10 m左右开始拱顶沉降速率加快，掌子面到达监测断面位置时沉降速率最快，其中方案3拱顶沉降最快，为4.2 mm/步，方案1和方案4为3.9 mm/步，方案2为4.0 mm/步，之后速率逐渐减小并趋于稳定，在掌子面通过监测断面20 m后拱顶沉降趋于稳定。拱顶沉降主要发生在掌子面前后约10 m范围，4种方案的拱顶沉降相差不大，相对来看，方案1要稍小一些。
图6 ①洞拱顶沉降曲线
2.4 底板隆起位移分析
选择Y=20 m断面处②洞的底板隆起位移作为典型分析，将4种方案底板隆起位移曲线绘于图7。由图7可知，4种开挖方案的底板隆起位移相差不大，方案1和方案2相对较小，为17 mm。开始开挖阶段，底板隆起位移为零，在掌子面位于监测断面前方15 m左右，方案3和方案4的底板隆起位移变化速率开始加快；方案1和方案2在掌子面位于监测断面前方10 m左右开始底板隆起位移变化速率加快。掌子面到达监测断面位置时变化速率最快，方案3为4.4 mm/步，方案4为4.7 mm/步，方案1和方案2为4.8 mm/步，之后底板隆起位移变化速率逐渐减小，在掌子面通过监测断面5 m左右底板隆起位移达到峰值，之后逐渐趋于稳定。底板隆起位移主要发生在掌子面前后约10 m范围，总体来看，方案1的底板隆起位移最小。
图7 ②洞底板隆起位移曲线
2.5 初期支护内力分析
图8为隧道开挖支护完成初期支护弯矩等值线图(Y=19～20 m)，由图8可知，方案1至方案4的初期支护最大弯矩分别为140.7、142.7、143.5、145.1 kN·m，均位于①导洞顶板中间位置，说明①导洞顶板位置弯曲变形较大，上覆荷载较大。总的来看，各方案的初支弯矩差别不大，方案1初期支护整体的弯矩最小。
图8 隧道初期支护弯矩等值线图(单位：N·m)
综合以上各个方案不同指标的比选分析，最终确定选择方案1进行施工。
根据数值模拟结果，现场施工时选择方案1，导洞掌子面间距取4 m。导洞开挖过程中，上台阶采用人工进行开挖，下台阶采用人工配合机械进行开挖。
3.1 监测点布置
现场实际施工时ZDK20+147里程处右线③洞位置遇到燃气管线，经研究决定③洞和④洞先停止开挖，处理燃气管线，所以从2015年5月7日到2015年5月14日停工10日，左线的⑤洞和⑥洞先行开挖。故而施工顺序改为先开挖中导洞(①、②洞)，再开挖左线导洞(⑤、⑥洞)，最后开挖③、④洞。上下导洞掌子面间隔4 m，⑤洞掌子面落后①洞掌子面5 m，③洞掌子面落后⑤洞掌子面8 m。现场实际施工时每隔10 m布置1个监测断面，下穿高速公路段监测断面加密为5 m一个。选取位于高速公路下方的有代表性的2个监测断面的地表沉降测点及部分拱顶沉降测点，分析实际施工过程中的变化趋势，实测监测点布置如图9所示。
图9 实测监测点布置
3.2 地表沉降
选取ZDK20+080和ZDK20+090两个断面的地表沉降数据，绘制出地表沉降历时曲线，如图10和图11所示。隧道开挖进度见表3。
图10 ZDK20+080断面地表沉降历时曲线
图11 ZDK20+090断面测点地表沉降历时曲线
表3 隧道开挖进度
日期①洞掌子面里程距ZDK20+080断面距离/m距ZDK20+090断面距离/m6月1日ZDK20+11838287月1日ZDK20+11020107月15日ZDK20+0877-38月1日ZDK20+078-2-128月15日ZDK20+069-11-21
注：(1)负数表示监测断面位于掌子面之后；(2)①洞8月15日贯通。
由图10和图11可知，随着隧道的开挖掘进，地表沉降逐渐增大。在横断面上的地表沉降形成一个沉降槽曲线，线路中心偏左线侧沉降较大，表现为非对称性。主要是因为施工按照先①、②中导洞，再左线③、④导洞，最后右线⑤、⑥导洞的施工顺序。先开挖的导洞围岩应力释放较大，地表沉降也相应变大。地表沉降的影响范围约为45 m(4倍的隧道开挖跨度)。通过分析隧道实际开挖进度，可知隧道掌子面距离监测断面越近，地表沉降速率越快。主要影响范围为监测断面前后约10 m区域，与数值模拟的结果基本吻合。
图12 隧道拱顶沉降时程曲线
图12为高速公路下方隧道拱顶沉降时程曲线(GD11～GD16)。由图12可知，隧道拱顶沉降随时间逐渐增大，在开挖阶段位移变化速率很快，随后趋于稳定。拱顶沉降曲线较平滑，说明相邻导洞的开挖对该导洞拱顶沉降影响较小。在开挖后30 d，即掌子面通过监测点约20 m后拱顶沉降趋于稳定，与数值模拟的结果基本吻合。GD16点隧道拱顶最终沉降最大，为-30 mm，里程为ZDK20+100，恰好在高速公路中间位置。说明下穿高速公路段隧道竖向位移较大，有一定的施工风险，需要加强施工质量管理和监控量测。
现场实测数据表明，地铁区间隧道采取的管棚预加固、小导管注浆等措施对地表沉降控制起到了重要作用，隧道施工方案、施工工艺和设计参数是合理可行的。
通过对各导洞不同开挖顺序的施工方案进行数值模拟及现场实测数据分析，得出以下主要结论。
(1)从地表沉降、拱顶沉降、底板隆起位移、初支内力等指标分析，隧道开挖顺序方案1比其他方案能够较好地确保隧道安全顺利施工。矩形隧道断面6导洞(先中间后两边)非对称开挖顺序可有效控制地层变形和结构受力。
(2)地铁区间隧道地表沉降曲线呈现“凹槽”形状，在隧道横断面方向影响范围约为4倍开挖跨度。掌子面开挖过后监测断面处地表沉降量所占比例约为60%。
(3)隧道拱顶沉降和底板隆起位移大部分发生在掌子面位于监测点前后10 m范围内，各导洞开挖顺序对支护结构内力影响较小。
(4)工程应用实践表明采用推荐的6导洞施工方案是安全可行的。
本文所得结论可为类似的隧道工程设计和施工提供参考。
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Comparison and Research of Construction and Excavating Scheme for Shallow Rectangular Tunnel
SHEN Yu-sheng， HE Wei-xiang， ZHAO Le， HE Yong-hui
(Southwest Jiaotong University， Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering， Ministry of Education， Chengdu 610031， China)
Abstract：In view of the engineering characteristics of a new shallow excavated rectangular tunnel， simulations are made with FLAC3D software for the construction schemes of pilot tunnels with different excavation sequences. Analysis is conducted of the surface subsidence， vault settlement， uplifts of the bottom of tunnel， the internal force of primary support to find out the characteristics and laws of the tunnel surrounding strata deformation and structural stress so that the optimum construction scheme can be selected. The research results indicate that the asymmetric excavation of the six pilot tunnels of the rectangular tunnel (both side of the tunnel after the middle) can effectively control the strata deformation and structural stress. The surface subsidence curve of the tunnel shows groove shape and tends to affect about 4 times of excavation width in the direction of cross section. The surface subsidence at the monitoring cross-section after tunnel face excavation makes up about 60% of the total settlement. Most of the vault subsidence and uplifts of the bottom of tunnel occur where the tunnel face is within 10 meters before and after the monitoring point and the pilot tunnel excavation sequence has little influence on the internal forces of the supporting structure. The engineering practice proves that the recommended construction scheme with six pilot tunnels is safe and feasible．
Key words：Metro; Shallow underground tunnel; Rectangular tunnel; Excavation sequence; Numerical simulation; Construction scheme
收稿日期：2016-06-05；
修回日期：2016-06-18
作者简介：申玉生(1976—)，男，副教授，博士(后)，E-mail:sys1997@163.com。
文章编号：1004-2954(2017)02-0100-05
中图分类号：U455.4
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.02.022
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