超浅埋过江隧道机械微扰动开挖工法研究*

郭弘宇，张承富

(中建五局土木工程有限公司,湖南 长沙 410004)

0 引言

随着城市化进程的加快，市区跨越河流的交通矛盾越来越突出，已经严重制约了依托两岸拓展城市的发展空间。相比于与其他跨越江河湖海的工程方法，水下隧道具有其独特的优势，近些年来在国内外得到了迅速发展[1-3]。

城市水下隧道常用的修建方法有：矿山法、盾构法、沉管法等。这些修建方法各有优缺点，有其适用的范围。与沉管法相比，矿山法具有不干扰航运的优势；与盾构法相比，矿山法具有机动灵活的优势，且对于中短长度过江隧道的施工又具有造价较低、工期较短的优势。同时，城市过江隧道因河道宽度有限、又考虑到节约城市土地资源、方便连接两岸既有道路需要，采取“水下浅埋”的形式以满足坡度设置的要求。因此，城市过江隧道宜采用低扰动的铣挖法施工。

铣挖工艺适用于围岩强度等级较低、对地表沉降及围岩变形有严格控制要求的工程[4-7]，易与其他施工工法结合运用。考虑隧道围岩强度和稳定性，铣挖法特别适用于不宜采用钻爆法的软弱围岩地段，如黄土地层、风化岩或者断层等软弱围岩。项志敏等[8]以采用铣挖法施工的浏阳河隧道为依托，在理论研究的基础上，借鉴悬臂式掘进机和装配式铣挖机在煤矿采掘行业中的研究成果，结合实际工程地质，进行现场工艺试验，对EBZ160S型悬臂式掘进机进行了适应性研究，结果表明：铣挖法适用于岩石强度小于20MPa、裂隙发育、开挖节理、岩体完整性差的围岩。董辉等[9]通过数值模拟与实际数据监控测量，分析了浏阳河隧道开挖时三台阶钻爆法与机械铣挖法的卸荷瞬态特性及动力效应对河堤的影响，结果表明：机械铣挖法能有效地控制竖向位移，且不增加围岩应力，能有效提高浅埋过江隧道工程掘进作业的安全性和可靠性。关则廉[10]通过对广州地铁6号线站前铣挖隧道的工程实践进行研究，摸索出了EBZ-132型悬臂式掘进机在粉砂质泥岩条件下的掘进参数及掘进机机械配套模式，提出在软岩隧道施工中，悬臂式掘进机具有围岩扰动小、适应能力强、开挖质量及安全性高等传统矿山法不可比拟的优势。

超大断面、小净距公路隧道由于其跨度较大、结构规则性差、受力条件复杂，施工时诸多工序相互影响大，围岩失稳和衬砌结构开裂及破坏现象极易发生。因此，在设计阶段和施工之前，必须对隧道施工过程力学状态进行研究，了解围岩体及衬砌结构可能发生破坏的情况及部位，以及采用何种施工方案对隧道围岩体的稳定性影响较小，并根据其影响规律采取针对性的加固措施和围岩支护结构，确保隧道施工安全。根据隧道工程实际赋存地层的地质情况，常采用双侧壁导坑法、CD工法或CRD工法、台阶法、全断面法或其组合方法[2,10-13]。李国等[14]采用上下台阶方法(其中上台阶分为左右区域分部开挖)从铣挖施工顺序方案确定的主要影响因素分析入手，建立隧道铣挖施工顺序方案优化模型。张博[6]依托香山庄铣挖隧道，采用有限差分软件FLAC3D分别探究了水平、水平循环、竖向、环形、中槽等铣挖步序以及台阶法、中隔壁法、交差中隔壁法等开挖工法对围岩扰动的影响。张聚文[11]以浏阳河公路隧道为工程背景，结合流固耦合理论与断裂损伤理论，使用FLAC3D 软件建立了浏阳河隧道数值模型，模拟分析了隧道开挖的动态过程，研究不同工况下围岩和衬砌力学特征及变化规律。熊启东等[15]通过建立重庆某越江隧道的数值模型，计算分析了在不同覆土厚度和不同水位下，越江隧道衬砌的应力和位移变化特征。王秀英等[16]通过现场实测、理论分析及模型试验研究了水下隧道复合式衬砌的水压特征，结果表明：在考虑隧道排水的前提下，注浆圈越厚、注浆质量越好，分担的水压力就越大，衬砌承担的水压力就越小，但考虑到经济与结构的合理性，应该取最佳注浆圈厚度(3～8m)；初衬承担的水压力主要由初衬与注浆圈渗透系数的比值决定。然而有关采用铣挖法开挖围岩级别差、超浅埋的水下隧道施工方案的研究鲜有报道。

综上，国内外对悬臂式掘进机铣挖隧道时围岩受铣挖步序扰动的分析极少，适用于悬臂式掘进机铣挖法的设备配套以及辅助工艺体系方面仍有较大的改善空间。本文以赣州市蓉江新区蓉江隧道为研究对象，遵从围岩暴露时间短、衬砌早封闭、拱脚早落地的原则，提出一种适用于铣挖机开挖的大断面、超浅埋、围岩级别差的水下隧道施工工法。

1 模型建立

工程场地属对称的丘岭岗地和河谷堆积地貌，两岸地形基本对称。工程区勘探深度范围内，揭露地层为人工填土、第四系全新统冲击层、上更新统残坡积层、下更新统冲击层、白垩系南雄组基岩。选择暗挖部分上覆土层较薄处进行数值研究(里程桩号：K1+700)。该处土层自上而下依次为：第1层为2.8m厚的杂填土，第2层为2.1m厚的淤泥质黏土，第3层为5.3m厚的砂卵石土，第4层为大约7.1m厚的强风化泥质粉砂岩，第5层是中风化泥质粉砂岩。隧道埋深24.3m，其中3.8m处于强风泥质粉砂岩层中，6.9m处于中风化泥质粉砂岩层中，地下水位埋深在地面以下2.8m处。土层物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

本文采用有限元软件PLAXIS研究了不同开挖工法对隧道稳定性的影响。为了减少边界条件对分析结果的影响，模型边界为6倍洞径，如图1所示。计算过程中土体采用实体单元模拟，所有土层均采用莫尔-库伦本构模型；支护结构采用板单元模拟，并采用弹性本构模型模拟其力学行为。

图1 计算模型

2 数值模型试验方案

该过江隧道属于超浅埋、大断面、围岩条件差的公路隧道。由于隧道位于航空禁飞区，且变形控制要求严格，经过专家评定决定采用铣挖机开挖的工法。考虑到铣挖机的结构特征以及铣挖机在开挖过程中需满足的几何条件，在CD工法的基础上，提出一种新的适用于大断面、浅埋、变形要求严格的隧道开挖工法(改进CD工法)，如图2所示。该工法将隧道断面分解为7个部分，按顺序分步开挖，结合超前加固以及快速封闭临时支撑等措施，有效减小隧道开挖对围岩的扰动效应，减少围岩变形。

图2 CD法与改进CD法

数值试验中分别进行了改进CD法和CD法的模拟。开挖过程中为了模拟支护的延时性，采用给开挖面施加法向应力并逐步减少法向应力的方法，即地层荷载法。当监测点的竖向位移急剧增加时施加初期支护，具体开挖步骤如图3所示。同时，给衬砌以不同程度的收缩来分析围岩的应力重分布以及衬砌所承担的荷载。

图3 改进CD工法开挖步骤

3 试验结果分析

3.1 改进CD法

改进CD法开挖-1中不同环向应力荷载工况下的拱顶沉降曲线如图4所示。可以看出，随着环向应力的减少，拱顶沉降开始呈线性变化，当环向应力小于200kN/m2之后沉降快速发展直至破坏，此时拱顶沉降为5mm。因此，当监控到拱顶沉降大于5mm之前应当完成初期支护。同时，开挖1拱顶右侧30°的竖向位移曲线也反映了当环向应力小于200kN/m2竖向位移快速发展这一结论，此时拱顶右侧30°的竖向位移为10.54mm，如图5所示。

图4 改进CD法步骤1拱顶沉降曲线

图5 改进CD法在拱顶右侧30°处的竖向位移曲线

图6a为开挖1环向应力为200kN/m2时的有效主应力路径矢量。模型竖直边界处的主应力分布情况与初始应力平衡时的主应力路基一致，即边界条件不会影响隧道范围内的应力分布，开挖1拱脚处应力集中较严重，拱圈顶部应力基本沿拱形分布。图6b给出了开挖1的环向应力为200kN/m2时的竖向位移矢量图。图中可以看出沉降主要集中在开挖1拱圈中部区域，且沉降传递到地面。由于中隔壁临时支护的存在拱顶区域的竖向位移相对较小。

图6 改进CD法开挖1初期支护有效主应力路径与竖向位移矢量

根据开挖1不同环向应力工况下的竖向位移云图，由于拱顶处应力集中较突出，且位移受到临时中隔壁的限制，当环向应力较大时除拱顶外其他区域的附加应力较小。因此，随着环向应力逐步减少，竖向位移最大值逐渐向拱顶右侧30°区域移动。

根据不同环向应力工况下的改进CD法开挖1竖向应力云图，可知开挖1左下角处应力集中明显，随着环向应力减少开挖1右下角应力集中逐渐明显。随着环向应力逐渐减少，拱圈中部的应力逐渐减少，此处也是竖向位移最大处，如图6b所示。

图7给出了改进CD开挖5过程中拱顶左、右30°处的竖向位移曲线。由于拱顶右侧的初期支护已经完成，其竖向位移受开挖5的影响较小，仅为4mm。当开挖5的环向应力为190kN/m2时，此时拱顶左侧30°处的竖向位移为9.9mm。在拱顶左侧30°处的竖向位移为大于9.9mm之前施作初期支护。在初期支护施作后拱顶左侧30°处的最终竖向位移为12.2mm。

图7 改进CD法开挖5拱顶右、左侧竖向位移

图8给出了开挖5初期支护完成后的有效主应力矢量与竖向位移矢量。图8a中拱顶、拱腰处应力集中较明显，并分别以拱顶、拱腰为拱脚形成了两个对称的土拱。图8b拱顶两侧的竖向位移基本关于隧道中心线对称，且竖向位移的影响范围大致为隧道净空范围。对比图8a，8b，可得出竖向位移较大处应力较小，位移较小处有明显的应力集中现象，这也是在隧道顶上部区域形成土拱的原因。

图8 改进CD法开挖5初期支护有效主应力路径、竖向位移矢量

图9给出了改进CD法分部开挖以及支护完成后施加不同的收缩系数时拱顶以及拱顶左右侧30°的竖向位移曲线。图中横坐标st1代表开挖1支护完成时，c0.001代表衬砌收缩0.1%，以此类推。由图可得：拱顶处的竖向位移较拱顶两侧的竖向位移大，拱顶两侧的竖向位移由于开挖顺序的影响略有差异。当衬砌收缩率大于0.1%(此时拱顶位移为10.16mm)之后，竖向位移急剧增加。

图9 衬砌收缩时拱顶及其两侧的沉降曲线(改进CD法)

图10给出了收缩系数为1%时隧道支护结构的弯矩图。图中可以得出，拱肩处的弯矩最大，且弯矩关于隧道中心线呈轴对称分布。图11给出了不同收缩系数工况下，隧道支护结构的弯矩曲线。图中水平轴是将支护结构从拱底顺时针展开后各点到拱底的水平距离。从图中可以看出，在不同的收缩系数工况下，拱顶范围内的弯矩值基本保持不变。随着收缩系数的增加拱肩、拱底处弯矩逐渐增加。

图10 衬砌收缩量为1%时衬砌弯矩(改进CD法)

图11 不同衬砌收缩工况下衬砌的弯矩曲线

3.2 CD法

图12为CD法开挖3拱顶左、右侧30°处不同环向应力作用下的竖向位移曲线。由于开挖1的初期支护已经完成，拱顶右侧30°处的竖向位移增量较小。当环向应力小于160kN/m2，拱顶左侧30°处的竖向位移急剧增加。因此，开挖3的初期支护应该在环向应力为160kN/m2时施加。

图12 步骤3拱顶两侧竖向位移曲线

图13为CD工法开挖、支护全过程拱顶左、右侧30°处的竖向位移曲线。拱顶两侧竖向位移随开挖步骤的变化趋势不同，但最终竖向位移基本一致分别为13.7，14.2mm。

图13 两种工法的开挖与支护过程中拱顶两侧的沉降曲线

3.3 讨论

图13给出了两种开挖工法的竖向位移曲线。对比分析两种开挖工法对隧道拱顶两侧变形的影响，采用改进CD工法开挖时，拱顶两侧的竖向位移较CD工法开挖时小。根据两种开挖工法开挖完成后的竖向位移矢量图，在拱顶即拱顶两侧的竖向位移变化基本一致。然而，对于拱底隆起变形，CD法开挖较改进CD法要大很多。

4 结语

本文针对过江隧道超浅埋、大断面、围岩条件差等实际工程情况，提出一种适用于小净距、大断面或超大断面、围岩条件差且对围岩变形控制要求高、并采用铣挖机开挖的工法。该工法充分考虑铣挖机的特征以及铣挖机工作过程中所需满足的几何条件，在CD工法的基础上将开挖面分解为7个区域，按顺序分步开挖。通过数值试验对比分析两种开挖工法对隧道的影响得出如下结论。

1)改进CD工法能够有效控制隧道拱顶沉降以及拱腰的水平位移。

2)改进CD工法配合铣挖施工能够有效减少矿山法施工对围岩的扰动。

3)改进CD工法拱顶两侧30°处的主应力基本与拱线平行。拱顶、拱腰处应力集中较明显，并分别以拱顶、拱腰为拱脚形成了两个对称的土拱。为隧道拱顶理论计算提供了指导思路。