黄土地区浅埋地铁隧道双侧壁导坑法施工参数优化

姜子良

1.中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津 300300；2.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，西安 710055

随着城市地下工程的快速发展，小间距隧道的投入建设有效降低了地下空间资源的浪费，但隧道开挖和运营对相邻建筑物的影响不容忽视［1］。特别是我国西部地区，广泛分布的黄土地层导致隧道表现出围岩自稳性差、承载力小、大变形等问题。因此，如何安全合理地开展大跨度、小净距、浅埋的黄土隧道开挖已成为地下空间工程中必须考虑的问题。

双侧壁导坑法能有效控制围岩变形，但因开挖断面分块较多对围岩扰动次数增加，初期支护全断面闭合的时间较长致使施工周期较长，不利于后行隧道的开挖和中岩柱稳定。牛泽林等［2］基于黄土隧道的地层压力以及土体、支护结构间的压力提出黄土隧道地层压力的经验公式。汪敏等［3］提出黄土隧道的初期支护过程中通过布设钢筋网可提高支护结构的抗拉、抗剪强度。张玉伟等［4］对于黄土隧道开展了用地表三轴搅拌桩处治隧道基底地基效果的模型试验。郭杰［5］分析了黄土隧道土体的压力特征值。钟祖良等［6］提出了黄土双连拱隧道施工时仰拱施作的合理长度。对于小净距隧道的地表沉降及中岩柱受力特征，Lv 等［7］发现小净距隧道加固可显著降低衬砌变形和地面沉降。Suwansawat 等［8］预测了双孔平行隧道开挖所引起的地表沉降。Shirlaw等［9］研究了新加坡地铁隧道的地表沉降形成沉降槽呈不对称特征。Cording 等［10］监测发现隧道开挖后地表出现的不对称沉降槽与隧道开挖有关。城市地铁隧道受到复杂的地下交通网络及建筑物影响［2，11］，有效控制开挖掌子面间距对于指导小净距隧道的施工具有重要意义，而关于并行隧道施工参数的研究尚不多见［12］。

本文以西安地铁4号线的雁南四路站—大唐芙蓉园站区间浅埋深黄土隧道为工程案例，基于MIDAS 三维模型对双侧壁导坑开挖过程中的掌子面间距进行优化分析，研究隧道地表及拱顶沉降、水平变形收敛、支护结构变形特征，以优化的开挖掌子面间距指导隧道实际开挖，最后基于现场监测数据验证隧道开挖掌子面间距设置的合理性。

1 工程地质概况

西安地铁4号线南起航天产业基地，北至草滩，全长34.30 km。研究区段起止里程为CK8+371.825—CK9+619.325，全长约1.25 km，隧道拱顶最大埋深为23 m，尺寸为12.13 m×10.03 m，中隔墙厚4.10 m，属于典型非对称、浅埋深、大跨度的黄土隧道。隧道施工地面高程为442.16～446.50 m，土层依次为杂填土（1.5 m）、新黄土（10.6 m）、老黄土（42.9 m），属东厚西薄分布的自重湿陷性黄土场地。地层附近无地表水，工程建设影响范围内主要为第四系孔隙潜水。

2 双侧壁导坑法开挖参数优化方案

2.1 数值模型及开挖方案

假定地表及土层均质呈水平分布，采用MIDAS∕NX有限元软件建立数值模型，岩土体为Mohr-Column 模型，支护结构和大断面中隔墙假定为变形弹性板单元，大断面拱顶上部的管棚通过改变单元属性来实现，模型材料参数［13］和地勘资料相同。

隧道模型及双侧壁导坑开挖工序如图1 所示。模型共14.28 万个单元，2.50 万个节点。隧道开挖对围岩应力的影响区域为开挖轮廓线外的3 倍洞室宽度，水平方向（x轴）为105 m，沿隧道轴线方向（y轴）为155 m，竖直方向（z轴）为55 m。只需考虑自重条件下隧道开挖作用对土体及支护结构的影响，不考虑构造应力及地下水环境的影响，故模型四周边界为水平约束作用，底面边界设置为水平和竖直约束作用。

图1 隧道模型及双侧壁导坑法开挖工序（单位：m）

洞室①—②和③—④掌子面间距（L1）为0、2、4、9、13 m；洞室②—③掌子面间距（L2）为0、4、9、13、21 m；洞室④—⑤掌子面间距（L3）为4、9、13、21 m。模型计算时将初期支护结构滞后一个施工步施作，二次衬砌距离开挖掌子面较远故不考虑其影响。洞室③—④与①—②的掌子面间距相等，仅讨论洞室①—②的掌子面间距（L1）对隧道沉降及变形的影响。洞室⑤—⑥的掌子面间距L4=L1+L2，故未重复讨论L4的影响。

2.2 现场监测方案

根据GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》确定监测等级为二级，垂直隧道轴线方向设置监测断面，监测断面间距为100 m，每个监测断面设置11个监测点。隧道开挖区域为主要监测位置，测点间距为3～5 m，次要监测间距为5～10 m。地表沉降、水平收敛最大容许值分别为30、40、20 mm，最大容许变化速率分别为4、5、2 mm∕d，施工监测值应小于最大容许值和最大容许变化速率。

3 模拟结果及分析

3.1 隧道地表沉降特征

CK9+462断面地表沉降曲线见图2。可知：

图2 黄土隧道地表沉降曲线

1）洞室①—②开挖后，地表沉降曲线发展趋势基本相似，左右两侧地表沉降0 ～ 4 mm，距隧道中线-20～20 m 内地表沉降4.00～14.36 mm，最大沉降位于隧道右上方土体，隧道上方土体形成了单峰V 形沉降槽，这与新加坡双孔隧道地铁［9］的地表沉降规律相同。隧道中线的沉降分别为13.04、12.92、12.82、12.76、12.71 mm，沉降量的减小幅度不明显。当L1=0 m 时，最大沉降为 14.26 mm；当L1=13 m 时，最大沉降为13.97 mm，相比前者沉降降低2.72%。这表明，地表最大沉降及中线沉降均随L1增加而降低。

2）洞室②—③开挖后，中线右侧的沉降明显大于左侧，距隧道中线-20～40 m的沉降为5.00～19.25 mm；隧道周边沉降较小，约为0～5 mm。当L2=0 m 时，中线地表及隧道拱顶最大沉降分别为16.69、19.25 mm；随着L2增大，中线地表沉降分别降低0.78%、3.62%、0.06%、3.76%，拱顶沉降分别降低0.67%、3.45%、2.00%、1.38%。可知，L2= 9 m 时隧道沉降的降低幅度最大且可有效抑制隧道沉降变形。

3）洞室⑤—⑥开挖后，距隧道中线-20 ～ 40 m 内沉降为2.50～18.13 mm，L3对断面沉降的影响程度大于L1而小于L2。Cording 等［10］研究表明，后行隧道开挖后出现的不对称沉降槽与先行隧道的开挖作用有关。最大沉降发生在距离隧道中线10 m 位置，以L3开挖时引起的最大沉降为18.13 mm，是中线沉降的1.15 倍。中线沉降随L3增加而增大，这与掌子面间距L1和L2下中线沉降的变化趋势不同。由此可知，适当减小L3能更好地控制地表沉降。

3.2 黄土隧道拱顶沉降特征

掌子面间距L1下洞室①—②的拱顶沉降见图3。可以看出，拱顶沉降曲线随开挖步增加的发展趋势相似，先快速沉降后逐渐收敛，分界点分别为15 mm 和12 mm，洞室①—②的开挖步分别为第16 ～ 20 和第14～20步，这表明洞室②的沉降变形较洞室①先达到稳定。当开挖到某一特征面时，隧道拱顶产生较大沉降，后续变形继续增大但增幅减缓，最终趋于稳定，可见L1对于隧道拱顶和地表的沉降作用相似。随着L1增大，拱顶最大沉降逐渐减小，减小幅度与L1的增量不成正比。当L1增至13 m 时，洞室①的拱顶沉降由17.82 mm 减至16.91 mm，减小5.11%；洞室②的拱顶沉降由15.27 mm 减至13.52 mm，减小11.46%。由此可见，L1增大对洞室②拱顶沉降控制较为明显。

图3 洞室①—②的拱顶沉降曲线

掌子面间距L3下洞室①—②及⑤的拱顶沉降曲线见图4。可知：趋势都是先快速沉降后缓慢趋于收敛，沉降分界值分别为20、20、21 mm；由于洞室①—②关于中线对称，两拱顶沉降趋势相似，稳定收敛值近似相等；受洞室①—②开挖作用影响，L3下洞室⑤拱顶沉降值的离散程度较大，特别是前期开挖阶段；洞室⑤开挖后期L3越大，处于收敛阶段的沉降越大；洞室①—②及⑤的最大拱顶沉降均随L3增大而增大，洞室①—②的最大拱顶沉降明显小于洞室⑤。施工时可通过减小L3来减小洞室①—②及⑤的拱顶沉降。

图4 洞室①—②及⑤的拱顶沉降曲线

掌子面间距L2时洞室①的拱顶沉降曲线见图5。可知，洞室①开挖初期的拱顶呈快速沉降趋势，最大沉降量接近20 mm，拱顶沉降曲线随着开挖步增大逐渐变得缓和最终趋于收敛。可见，洞室①拱顶的沉降大致经历了先快速沉降后缓慢沉降两个阶段，开挖步分界点为22～31步。

图5 洞室①的拱顶沉降曲线

3.3 黄土隧道水平变形特征

掌子面间距L1下洞室①—②的水平变形曲线见图6。可知：水平变形与拱顶沉降趋势相似，包括快速变形和逐渐收敛，转折点分别为第14、第15 开挖步。随支护结构施作，洞室变形速率显著降低并逐渐过渡到收敛阶段。随掌子面间距增大，洞室①的水平变形分别收敛于3.96、3.83、3.66、3.59、3.57 mm，L1大于4 m 后收敛值显著降低。对于洞室②，L1=0～4 m 时，水平变形收敛值随L1增大而减小，L1大于4 m 后水平变形收敛值增大。因此，洞室①和②的水平变形收敛呈先减少后增大的趋势，L1= 4 m 为明显转折点。为有效控制隧道水平变形稳定性，L1取4 m较合适。

图6 洞室①—②的水平变形收敛曲线

掌子面间距L2对洞室①和③水平变形的影响见图7。可知：曲线明显经历先快速变形后趋于收敛两个阶段，与拱顶沉降趋势基本一致。由于开挖初期的支护结构尚未完全施作，洞室①的水平变形比较明显；当开挖步大于12 步时，洞室①的水平变形程度减缓后逐渐趋于收敛，水平变形分别收敛于5.16、5.25、5.35、5.41、5.45 mm。可见，随着L2增大，洞室①的变形收敛值逐渐增大。因此，为有效控制洞室①的水平变形，L2不宜过大。洞室③的初期水平变形比较离散，L2越小，洞室③的水平变形越先收敛。洞室③的水平变形收敛值为4.08 ～ 4.52 mm，随着L2增大而减小。L2由0增至9 m 时，洞室③的水平收敛值由4.52 mm 减至4.11 mm，降低9.07%；L2由 9 m 增至21 m 时，洞室③的水平收敛值由4.11 mm 减至4.08 mm，降低0.73%。可见，L2取9 m时可有效抑制隧道沉降及水平变形，这与前文分析一致。

图7 洞室①和③的水平变形曲线

掌子面间距L3对洞室①和③水平变形的影响见图8。可知：洞室①和③的水平变形总体是先快速变形后收敛，洞室①的水平变形收敛值为3.50～4.50 mm，明显小于洞室③（5.11 ～ 5.18 mm）。随L3增大，洞室①和③的水平变形呈增大趋势，可见为减小施工隧道水平变形，应尽量减小L3，这与上文分析结果一致。洞室①和③的水平变形出现突变特征，结合双侧壁导坑法的施工工艺分析认为，洞室④与⑤开挖之前，洞室①与③的土体开挖已经完成，初期支护及临时钢支撑逐渐发挥支撑和约束作用。洞室④开挖时，上部逐渐闭合的支护结构对水平变形具有横向约束作用，导致洞室③在第9、11、12、14 施工步时的水平变形出现突然减小趋势。随着洞室⑤开挖，洞室③与⑥中间的钢支撑被拆除，洞室横向约束被解除，引起洞室③的水平变形突然增大。

图8 洞室①和③的水平变形曲线

3.4 黄土隧道断面支护结构受力特征

当L3= 4、13 m 时支护结构的最大主应力分布见图9。可以看出，中隔板、中隔墙、初期支护和中隔墙连接处主要以拉应力为主，施工时应对该区域加强承载强度及土体沉降监测，以控制隧道及支护结构的变形收敛。洞室③—④及⑥间的中隔墙主要以压应力为主，洞室①—②及⑤间的中隔墙出现局部压应力。钢支撑和初期支护的连接部位均出现应力集中现象，支护结构底部主要以压应力集中为主，最大压应力在38.43 ～ 38.80 MPa。拱顶支护结构主要以拉应力集中为主，最大为4.44～4.76 MPa。施工过程需加强对钢支撑和初期支护的连接部位的变形监测［5］，以提高支护结构的载荷强度和抵抗围岩变形能力。支护结构的最大压应力为最大拉应力的8.15～8.66 倍，最大拉应力及压应力的变化率为0.02 MPa∕m。可见，最大拉应力、最大压应力均随L3增大而增大，开挖过程应尽量减小L3。隧道断面尺寸为12.13 m×10.03 m，净开挖面积明显大于100 m2。开挖区段为大断面隧道，开挖过程应严格遵循短开挖、强支护施工原则，以地表沉降、拱顶沉降及水平变形收敛作为施工监测重点［13］。为此，L3取 9 m 时可有效降低地表沉降及横向变形。

图9 支护结构的最大主应力分布（单位：MPa）

综上，采用双侧壁导坑法进行该黄土隧道施工时，洞室①—②和③—④的掌子面间距L1取4 m，洞室②—③的掌子面间距L2取9 m，洞室④—⑤的掌子面间距L3取9 m。基于优化结果，双侧壁导坑开挖大断面黄土隧道时应控制每循环的进尺长度在0.50 m 左右，并根据实际工况控制洞室掌子面间距；施工隧道与既有隧道净间距小于9 m时需要施作拉锚杆以减小中岩柱变形。

3.5 黄土隧道开挖及变形监测分析

3.5.1 隧道开挖后地表沉降特征

根据优化方案开挖，2017 年 11 月 9 日至 2018 年 1月22日对地表沉降进行监测。监测表明，距离隧道中线-17～6 m 的地表沉降显著，距离隧道中线越近，地表沉降越大，隧道中线的地表沉降最大为19.61 mm，为地表沉降最大容许值的65.37%，满足隧道安全施工要求。隧道上方地表形成V 字形沉降槽，应加强对敏感沉降区的沉降监测［2］。

隧道中线地表最大沉降及变化率见图10。可知：地表最大沉降随开挖时间增加呈不显著沉降、快速沉降及缓慢沉降三个阶段。2017 年11 月9—21 日，最大沉降及变化率分别为 1.07 mm、0.18 mm∕d。2017 年11月21日至12月9日，最大沉降为14.64 mm，变化率为3.67 mm∕d（小于4 mm∕d），这表明地表沉降及变化率满足安全施工要求。随着初期支护施作，地表沉降趋于稳定，最大沉降为16.01～19.61 mm，变化速率为0.07～0.20 mm∕d。

图10 隧道中线地表最大沉降及其变化率

3.5.2 隧道开挖后水平变形特点

洞室①、②、③、④的水平变形曲线见图11。可知：开挖初期洞室③—④在1～14 d发生快速变形（0～12.12 mm），支护施作后洞室①—②的水平变形逐渐进入收敛阶段，25 d后趋于稳定，最大水平变形收敛值为12.90～13.10 mm；洞室③—④的开挖相对滞后，水平变形进入收敛前先经历过渡变形，历时17 ～ 25 d；在快速变形和收敛阶段，洞室③—④的最大水平变形分别为洞室①—②的82.51%和95.49%；洞室①、②、③、④的最大水平变形分别为13.10、12.90、12.51、12.12 mm，明显小于最大容许变形值；在快速变形和收敛阶段，围岩水平变形速率分别为0.65 ～ 1.98、0.08～0.12 mm∕d，满足围岩稳定性要求。由此可见，开挖围岩的水平变形满足安全施工要求。

图11 洞室①、②、③及④的水平变形曲线

4 结论

1）黄土隧道掌子面间距对地表、拱顶沉降及变形的影响规律一致。距离隧道中心线-20～20 m 内的地表沉降较大，最大沉降发生在隧道中线右侧，受开挖影响隧道上方地表形成V字形沉降槽。

2）受开挖作用影响，隧道中隔板、中隔墙、初期支护和中隔墙连接处主要承受拉应力，钢支撑和初期支护连接部位出现应力集中，支护结构底部主要承受压应力。优化结果表明，掌子面间距L1= 4 m、L2= 9 m、L3=9 m时能有效提高围岩稳定性。

3）距离隧道中线-17～6 m 内地表沉降显著，距离隧道中线越近，地表沉降越大。隧道中线的地表沉降最大值为19.61 mm，是最大容许值的65.37%。在快速沉降和收敛阶段的最大沉降变化率分别为3.67、0.20 mm∕d，满足安全施工要求。

4）隧道水平变形呈先快速变形后逐渐收敛，洞室①—②在前14 d 发生快速变形，历时25 d 后收敛于13.10 mm且小于最大容许变形值；在快速变形和收敛阶段，洞室③—④的最大水平变形分别为洞室①—②的82.51%和95.49%。相应的最大水平变形速率为1.98 mm∕d，满足围岩稳定性要求。通过数值模型对实际施工参数优化具有很高的可靠性。