砂卵石地层矿山法施工隧道掌子面稳定性评价方法

王玉锁 阳超 张雪松 张浩 何锁宋

（1.西南交通大学土木工程学院，成都610031；2.中铁北京工程局集团城市轨道交通工程有限公司，合肥230088）

地铁因具有安全快捷、节约土地等优点成为解决城市交通问题的首选［1］。采用浅埋暗挖法修建地铁联络通道或隧道的工程很多［2-6］。成都、北京、广州等城市均存在大量砂卵石地层，砂卵石地层围岩稳定性对施工振动十分敏感，径向锚杆施作困难且效果不佳，掘进速度慢，施工风险高。为解决这个问题，须先对掌子面的稳定性进行判别，再采取相应的开挖和支护措施。本文引入砂类土围岩基本质量指标SBQ（Sandy Soil Surrounding Rock Basic Quality Index）［7］和卵石土围岩基本质量指标GBQ（Gravel Soil Surrounding Rock Basic Quality Index），对砂卵石地层隧道掌子面稳定性进行评价。

1 围岩基本质量指标的提出

SBQ是基于土的摩尔-库仑强度理论提出的。文献［7］通过室内试验和相关分析得出

式中：c为砂类土的黏聚力，kPa；γ为砂类土的重度，kN/m3；φ为砂类土的内摩擦角，°；H为隧道埋深，取20 m。

可以看出，SBQ是一个无量纲量，涵盖了砂类土的抗力及荷载效应，将剪切强度指标c，φ与γ有机结合在一起，反映砂类土的力学特性。此值越大，说明土体稳定性越好。

因卵石土和砂类土均具有颗粒材料性质，因此参照SBQ，采用GBQ表征卵石土的力学特性。其计算公式为

式中：c′为卵石土的黏聚力，kPa；γ′为卵石土的重度，kN/m3；φ′为卵石土的内摩擦角，°；H′为隧道埋深，取20 m。

2 计算模型及参数选取

利用数值模拟方法，研究SBQ，GBQ值与隧道掌子面稳定性的关系。

2.1 数值模型

依托工程穿越砂卵石地层，平均覆土厚约10 m，洞周最大水平跨度6.7 m，覆土厚与跨度之比（覆跨比）约1.5。隧道横断面如图1所示。

根据隧道设计情况，利用FLAC软件建立隧道开挖计算模型。考虑到边界效应的影响，洞周水平方向及隧道底部向下均取约3倍洞径，模型长、宽、高分别为50，20，39 m。土层分为上下两层，上层为杂填土，厚3.2 m；下层为砂卵石土，厚35.8 m。模型（图2）上表面为自由边界，侧面及底面均施加法向约束。

图1 隧道横断面示意（单位：mm）

图2 隧数值模型（单位：mm）

2.2 计算参数

隧道初期支护采用实体单元模拟，其力学参数按照抗弯刚度等效法进行计算。杂填土的力学参数参照勘查报告确定。碎石土包括卵石土［8］，因此隧道穿越的砂卵石地层物理力学参数可根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》［9］中砂类土、碎石土物理力学参数确定，本文选取建议范围的中间值。计算工况包括砂类土围岩Ⅳ2，Ⅴ1，Ⅴ2，Ⅵ级及卵石土围岩Ⅳ2，Ⅴ1，Ⅴ2级。各工况计算参数见表1。

表1 各工况计算参数

数值模拟时隧道采用全断面法开挖，开挖进尺0.5 m，初期支护采用φ8钢筋网（双层）@0.2 m×0.2 m+30 cm厚C25喷射混凝土+间距0.5 m钢拱架，其力学参数按等刚度换算。初期支护及杂填土的力学参数见表2。

表2 初期支护及杂填土的力学参数

2.3 模拟结果与分析

2.3.1 砂类土地层隧道掌子面稳定性

开挖到10 m时，工况1—工况4隧道掌子面变形情况分别见图3—图6。

图3 工况1掌子面纵断面变形云图（SBQ=0.79）

图4 工况2掌子面纵断面变形云图（SBQ=0.64）

图5 工况3掌子面纵断面变形云图（SBQ=0.53）

图6 工况4掌子面纵断面变形云图（SBQ=0.32）

从图3（a），图4（a），图5（a），图6（a）可以看出：①SBQ为0.79时最大水平位移位于掌子面中心，其值为1.23 cm，掌子面能保持稳定；②SBQ减小到0.64时最大水平位移位于掌子面上方，其值为15.03 cm；③SBQ减小到0.53和0.32时掌子面一经开挖位移便急剧增大，因变形过大计算中止时最大水平位移分别达到1.9，1.3 m，此时掌子面已失稳破坏。

从图3（b），图4（b），图5（b），图6（b）可以看出：①SBQ为0.79时隧道拱顶最大沉降7.54 mm，底板最大隆起3.90 mm，均未超出GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》［10］中控制值（初期支护拱顶沉降和底板竖向位移控制值分别为20，10 mm），说明洞身稳定性较好；②SBQ减小到0.64时，拱顶最大沉降约7 cm已超限，掌子面前方变形相对较大的围岩区呈楔形；③SBQ减小到0.53和0.32时掌子面已塌落破坏。

综上可知，覆土厚10 m、覆跨比约1.5，在砂类土地层中采用全断面法开挖，SBQ≥0.79（Ⅳ2级及稳定性更好围岩）时掌子面能够自稳，为保证施工安全，建议采用台阶法或台阶法+留核心土的方法开挖；0.64≤SBQ＜0.79（Ⅴ1级围岩）时初期支护及掌子面变形较大，须采取台阶法+留核心土的方法开挖；SBQ＜0.64（Ⅴ2级及稳定性更差围岩）时掌子面极有可能失稳破坏，须采取超前支护+台阶法+留核心土的方法开挖，并加强监控量测，以保证隧道施工安全。

2.3.2 卵石土地层隧道掌子面稳定性

开挖到10 m时，工况5—工况7隧道掌子面变形情况分别见图7—图9。

图7 工况5掌子面纵断面变形云图（GBQ=1.11）

图8 工况6掌子面纵断面变形云图（GBQ=0.87）

图9 工况7掌子面纵断面变形云图（GBQ=0.67）

从图7（a），图8（a），图9（a）可以看出：GBQ为1.11时最大水平位移位于掌子面中心，其值为4.1 mm，掌子面稳定性好。GBQ减小到0.87时最大水平位移同样位于掌子面中心，其值为9.2 mm，变形较小，掌子面稳定性仍较好。GBQ减小到0.67时，掌子面一经开挖便失稳破坏，因变形过大计算中止时最大水平位移达到2.2 m。

从图7（b），图8（b），图9（b）可以看出：GBQ为1.11，0.87时，隧道拱顶最大沉降分别为2.97，8.46 mm，底板最大隆起分别为1.34，1.22 mm，两者均未超出GB 50911—2013中控制值，表明洞身稳定性好。GBQ下降到0.67时掌子面无法保持稳定，失稳破坏情况与砂类土类似。

综上可知，覆土厚10 m、覆跨比约1.5，在卵石土地层中采用全断面法开挖，GBQ≥0.87（Ⅴ1级及稳定性更好围岩）时掌子面可自稳，为安全可靠，建议采用台阶法或台阶法+留核心土的方法开挖；GBQ＜0.87（Ⅴ2级及稳定性更差围岩）时掌子面极有可能失稳破坏，须采取超前支护+台阶法+留核心土的方法开挖，并加强监控量测，保证隧道施工安全。

3 工程实践

成都地铁9号线武青车辆段出段线隧道穿越砂卵石地层，实际施工时主要为卵石土，围岩级别为Ⅴ1，Ⅴ2级。Ⅴ1级围岩段采用台阶法+留核心土的方法开挖；Ⅴ2级围岩段采用超前管棚支护+台阶法+留核心土的方法开挖。初期支护采用φ8钢筋网（双层）@0.2 m×0.2 m+30 cm厚C25喷射混凝土+间距0.5 m钢拱架。掌子面稳定性较好，初期支护及二次衬砌安全，隧道顺利贯通。说明本文所提出的砂卵石地层隧道掌子面稳定性评价方法合理可行。

4 结论

1）同一围岩级别（亚级）下砂类土和卵石土物理力学性质有差异，应分别采用SBQ和GBQ对隧道掌子面稳定性进行评价。同一围岩级别（亚级）下GBQ＞SBQ，卵石土围岩稳定性优于砂类土围岩。

2）覆土厚10 m、最大开挖跨度6.7 m，围岩为砂类土，SBQ≥0.79（Ⅳ2级及稳定性更好围岩）时掌子面可以自稳，为保证施工安全可靠，建议采用台阶法+留核心土的方法开挖；0.64≤SBQ＜0.79（Ⅴ1级围岩）时须采用台阶法+留核心土的方法开挖；SBQ＜0.64（Ⅴ2级及稳定性更差围岩）时掌子面极有可能失稳破坏，须采取超前支护+台阶法+留核心土的方法开挖。

3）覆土厚10 m、最大开挖跨度6.7 m，围岩为卵石土，GBQ≥0.87（Ⅴ1级及稳定性更好围岩）时掌子面可以自稳，为保证施工安全可靠，可采用台阶法+留核心土的方法开挖；GBQ＜0.87（Ⅴ2级及稳定性更差围岩）时可能发生失稳破坏，须采取超前支护+台阶法+留核心土的方法开挖，并加强监控量测，以保证施工安全。