浅埋暗挖地铁隧道开挖工法对比分析

刘才亮 刘成禹

(1.东南沿海铁路福建有限责任公司，福建福州 350008；2.福州大学，福建福州 350116)

1 概述

随着我国经济社会的不断发展，在建和即将建设的地铁越来越多。为保证地铁隧道的顺利施工并确保周边建(构)筑物的安全，对于重要的、地质环境复杂或周边环境复杂的地铁隧道，需在施工前对可行的施工方案进行对比分析[1-3]，以选出最优的施工方案[4-6]。

目前，我国在建或规划建设的地铁隧道埋深一般在10～20 m之间，这一埋深范围内大多是Ⅴ级围岩，暗挖法是这类地铁隧道施工的常用方法之一。软弱围岩地区的浅埋隧道，其围岩自稳能力差，不当的施工方法常常诱发严重的地表和周边建筑变形、开裂，甚至坍塌。因此，对软弱围岩地区浅埋地铁隧道的施工方法进行对比分析具有重要的实际意义。

关于地铁隧道浅埋暗挖施工方法，诸多学者和工程技术人员已进行了相关研究。任建喜、张引合等[7]采用FLAC数值分析方法，对北京奥运支线奥林匹克公园站—森林公园站区间分别采用上下台阶、上下台阶留核心土法开挖时的围岩及地表变形进行对比分析，得出了该区段宜采用上下台阶留核心土法开挖的结论；谷拴成，黄荣宾[8]以西安地铁三号线太白南路—吉祥村暗挖区间隧道为依托，对台阶法和CRD法开挖下围岩的变形进行了对比分析；高诗明、张炜闪等[9]基于武汉地铁2号线一期工程的黏土地层区段，对全断面法、正台阶先拱后墙法和预留核心土法3种开挖工法进行对比分析，得出黏土地层区段宜采用预留核心土法开挖的结论。

以往研究多聚焦于某种特定的地层(如黏土、黄土等)，且主要从围岩变形和地表沉降角度进行对比分析，选取的工法也较少。

为此，选取典型埋深、典型断面及支护形式下、V级围岩地铁区间隧道等5种常用的开挖工法，从围岩和初期支护的应力、变形以及隧道施工诱发的地表沉降三方面进行对比分析。

2 计算条件

采用数值方法对浅埋暗挖地铁隧道5种常用开挖工法下的围岩及初期支护应力、位移及地表变形进行计算，并以此为基础，开展各种工法的对比分析[10-15]。

目前，我国地铁的埋深大多在10～20 m之间，Ⅴ级围岩段毛洞宽度大多在6.4 m左右、高度大多在6.8 m左右，初期支护基本采用格栅钢架及喷锚联合支护，拱部120°范围采用超前小导管预加固。

为使计算结果具有普遍意义，选取的隧道形状、尺寸、埋深及初期支护均为目前浅埋暗挖地铁区间隧道Ⅴ级围岩区段的常用参数。

(1)Ⅴ级围岩，埋深15 m，隧道形状为带仰拱的3心圆洞室，毛洞宽6.4 m，高6.8 m。

(2)初期支护参数:格栅钢架纵向间距0.75 m；砂浆锚杆长3.5 m，间距1.2 m×1.0 m，梅花形布置；喷射C25混凝土，厚0.3 m。

(3)拱部120°范围采用超前小导管预加固。超前小导管长3.0 m、环向间距0.3 m、外插角5°。

浅埋暗挖地铁区间隧道Ⅴ级围岩段可能采用的开挖工法主要有:上下台阶、上下台阶留核心土、上下台阶加临时仰拱、三台阶加临时仰拱、单侧壁导坑法5种。各种工法的隧道横向施工参数如图1所示；台阶纵向长度均为6.0 m(单侧壁导坑时，各开挖部的纵向间距为6.0 m)，单循环进尺均为1.0 m。

3 数值模型建立

围岩的物理力学参数参考《铁路隧道设计规范》、《公路隧道设计规范》中Ⅴ级围岩的指标选取(见表1)。岩土体采用摩尔—库仑准则。

表1 岩土体的物理力学参数

将钢拱架和喷射混凝土作为一个整体，采用板单元进行模拟。按照等刚度原则，将钢架的弹性模量折算给喷射混凝土层，折算式为

式(1)中，E为折算后喷射混凝土的弹性模量；E0、Eg分别为喷射混凝土、钢材的弹性模量；Ag、Ac分别为钢拱架、喷射混凝土的截面积。

锚杆采用只受拉的杆单元进行模拟。初期支护的力学参数见表2。

表2 初期支护力学参数

采用三维数值模型进行计算。为减小边界对计算结果的影响，模型两侧边界取隧道跨度的5倍(取整为40 m)；隧道下方边界取隧道高度的3倍(取整为20 m)；隧道上边界为地表，如图2所示。综合考虑模型大小及开挖步长，模型纵向取48 m。模型底部及两端均设为固定边界。

图1 各种工法的隧道横向施工参数(单位：m)

图2 单侧壁导坑开挖时模型正面

图3 单侧壁导坑开挖时初期支护、临时支撑及超前支护

4 不同开挖工法的对比分析

根据不同开挖工法下的数值计算结果，提取隧道施工过程中的围岩位移、围岩及初期应力以及地表沉降，以此为基础进行各开挖工法的对比分析。

4.1 不同开挖工法下围岩的最大位移

不同工法下围岩最大位移的计算结果见表3。

表3 不同施工工法下围岩最大位移的计算结果 mm

由表3可得出如下结论。

(1)5种方法在控制拱顶下沉方面没有明显差异。

(2)单侧壁导坑法的底板隆起、净空收敛最小，上下台阶法的最大；上下台阶、上下台阶留核心土、上下台阶加临时仰拱、三台阶加临时仰拱法的底板隆起分别是单侧壁导坑法的2.08倍，2.02倍，1.58倍和1.09倍；净空收敛分别是单侧壁导坑法的1.39倍、1.35倍、1.22倍和1.01倍。

(3)三台阶加临时仰拱的水平收敛最小，上下台阶法的最大；上下台阶、上下台阶留核心土、上下台阶加临时仰拱、单侧壁导坑法的水平收敛分别是三台阶加临时仰拱法的1.64倍，1.36倍，1.35倍和1.31倍。

(4)按控制底板隆起、净空收敛和水平收敛作用效果的先后排序为:三台阶加临时仰拱＞单侧壁导坑＞上下台阶加临时仰拱＞上下台阶留核心土＞上下台阶。

(5)采用上下台阶施工时，设置临时仰拱可明显减少底板隆起和净空收敛变形。

(6)在拱顶下沉、底板隆起、净空收敛方面，三台阶加临时仰拱法和单侧壁导坑法相差无几，但三台阶加临时仰拱法的水平收敛明显小于单侧壁导坑法。这说明在控制围岩竖向位移方面，三台阶加临时仰拱法和单侧壁导坑法相差无几，在控制围岩水平位移方面，三台阶加临时仰拱法优于单侧壁导坑法。

4.2 不同开挖方法下的围岩及初期支护应力

不同工法下，围岩及初期支护的最大应力计算结果见表4。计算结果表明，隧道施工过程中围岩最大应力出现在底板或先导坑拱脚，最大应力方向为隧道横断面的水平方向(即σxmax)。

表4 不同施工方法下围岩及初期支护应力最大值

由表4可得出如下结论。

(1)对于围岩最大水平应力，除单侧壁导坑法出现在先导坑拱脚处外，其余4种工法均出现在底板，表现为水平挤压；按围岩最大水平应力数值排序为:三台阶加临时仰拱＜单侧壁导坑＜上下台阶加临时仰拱＜上下台阶＜上下台阶留核心土。

(2)围岩最大剪应力均出现在边墙，三台阶加临时仰拱的最小，上下台阶法的最大。上下台阶、上下台阶留核心土、上下台阶加临时仰拱、单侧壁导坑法的最大剪应力分别是三台阶加临时仰拱法的1.47倍，1.32倍，1.16倍和1.04倍。

(3)5种施工方法下，初期支护最大拉、压应力分别出现在拱顶和拱腰；拱腰的最大压应力均小于混凝土的抗压强度；对于拱顶的最大拉应力，三台阶加临时仰拱最大，上下台阶加临时仰拱最小，上下台阶、上下台阶留核心土、三台阶加临时仰拱、单侧壁导坑法的初期支护最大拉应力分别是上下台阶加临时仰拱法的1.93倍，1.64倍，2.14倍和1.57倍。

(4)从控制围岩应力及初期支护拉应力的角度看，上下台阶加临时仰拱较上下台阶留核心土效果好。

(5)三台阶加临时仰拱工法下的围岩最大水平应力、最大剪应力均略小于单侧壁导坑法。

4.3 不同开挖方法下的地表沉降

将不同施工方法下的地表竖向位移提取出来，作出地表沉降曲线，如图4所示。不同施工方法下，地表沉降的主要指标见表5。

由图4、表5可看出:

(1)上下台阶、上下台阶留核心土和上下台阶加临时仰拱法的沉降槽单侧宽度均在40 m左右；相较于上述3种施工方法，三台阶加临时仰拱和单侧壁导坑法的沉降槽宽度略小(约为前述设上下台阶的3种工法的0.9倍)。

图4 不同施工方法下的地表沉降曲线

表5 不同施工方法下地表沉降的主要指标

(2)上下台阶法的地表沉降值最大，三台阶加临时仰拱的最小；上下台阶、上下台阶留核心土、上下台阶加临时仰拱法、单侧壁导坑法的地表沉降最大值分别是三台阶加临时仰拱法的1.42倍，1.34倍，1.23倍和1.02倍。

(3)采用上下台阶法施工时，就控制地表沉降而言，增加临时仰拱比留核心土的效果明显。

(4)单侧壁导坑法与三台阶加临时仰拱法在地表沉降最大值、沉降槽宽度方面均无明显差异。

5 结论

(1)单侧壁导坑法和三台阶加临时仰拱法在控制围岩应力、围岩变形及地表沉降方面均优于上下台阶法和上下台阶留核心或加临时仰拱法。在围岩软弱且对地表变形要求高的区段宜采用单侧壁导坑法或三台阶加临时仰拱法。

(2)单侧壁导坑法和三台阶加临时仰拱法在控制围岩应力、围岩竖向位移及地表沉降方面均无明显差异，可从便于施工的角度进行选择；但在围岩水平位移要求高的区段，宜优先选用三台阶加临时仰拱法。

(3)上下台阶加临时仰拱法在控制围岩应力、围岩变形及地表沉降方面均明显优于上下台阶法和上下台阶留核心法。采用上下台阶开挖时，宜架设临时仰拱。