重庆深埋特大断面隧道变形特征及施工工法比选

朱鹏霖 申玉生 连正 吴康 宗志栓 邱泽刚

1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031；2.中铁十五局集团有限公司，上海 200040

进入21世纪以来，我国隧道及地下工程得到了前所未有的发展，地铁、市政等基础设施建设逐渐向长距离、大跨度、深部发展，对大跨度地下工程施工技术提出了新的要求［1-2］。

学者们对大跨度地下工程施工方法开展了研究，并取得丰硕成果。李博融等［3］采用现场调研和数值模拟方法，研究了不同施工方法下特大跨度层状岩体隧道的施工动态力学响应规律。李克先等［4］分析拱盖法、双侧壁导坑法和台阶法的优缺点，给出了硬岩条件下工法选择建议。罗文斌等［5］通过现场测试和理论分析研究了超大跨度隧道采用中隔壁法施工时中隔壁内力变化规律。姜封国等［6］通过数值模拟和现场监测分析了特大断面隧道采用双侧壁导坑法和交叉中隔墙法施工时围岩变形和受力变化规律。关宝树［7］根据软弱围岩隧道变形的基本规律，系统总结了国内外控制隧道开挖后变形的基本对策。

本文以重庆轨道交通18号线歇台子站为依托，对比深埋条件下不同施工方法所引起的围岩变形和应力分布，为城市深埋大跨隧道施工方法选择提供参考。

1 工程概况

重庆轨道交通18号线歇台子地下工程由歇台子车站与富华路站—歇台子站区间隧道组成。由于该工程只有车站部分符合特大断面隧道特征，因此本文仅研究车站部分。该地下两层车站（图1）开挖宽度25.3 m，开挖高度21.8 m，开挖面积492.84 m2。车站拱顶埋深19.65～40.38 m。支护结构设计参数见表1。

图1 车站的标准断面（单位：m）

表1 车站支护结构设计参数

车站穿越地层为早二叠世中风化砂岩和砂质泥岩。隧址区地处构造剥蚀丘陵地带，地貌形态较简单，岩体裂隙不发育～较发育，地下水总体较贫乏，设计时地下水可不予考虑。

2 数值模拟

2.1 模型建立及参数选取

采用有限元差分软件FLAC 3D建立模型。考虑开挖影响范围，模型水平方向取至车站两边墙外侧3倍开挖跨度。模型尺寸为172.9 m（x）×100.0 m（y）×136.0 m（z），如图2所示。

图2 整体计算模型（单位：m）

模型共划分为220 700个单元和231 336个节点，满足计算精度的要求。模型左右边界约束水平位移，底部边界约束竖向位移，上表面为自由边界。

依据地勘报告该车站围岩主要为Ⅳ级软岩。围岩物理力学参数见表2。

表2 围岩物理力学参数

2.2 车站开挖方案

目前特大断面隧道开挖采用分部开挖法。分部开挖法包括台阶法、环形开挖留核心土法、双侧壁导坑法、中隔壁法、交叉中隔壁（Cross Diaphragm，CRD）法等［8-12］。本文针对该工程特点选定了台阶法、CRD法与双侧壁导坑法三种开挖工法，对比开挖效果。

方案1为不采用临时支护的台阶法，方案2为采用临时支护的CRD法，方案3为采用临时支护的双侧壁导坑法。三种方案开挖顺序见图3。

图3 车站开挖顺序

开挖纵断面见图4。其中，Y为数值模型中y=50 m处的监测断面。隧道按照小断面的数字顺序向前循环开挖，各个小断面按照顺序完成一次开挖为一个循环，循环进尺为1 m。Y′表示一个循环开挖完成时的断面。随着隧道开挖Y′不断往前移动，Y′与Y之间的距离用W表示。

图4 开挖纵断面示意

2.3 计算结果对比与分析

施工至25步时，三个方案中的小断面①均开挖至监测断面；施工至35步时，方案2中的W=0；当施工至41步时，方案1和方案3中的W=0；施工至47步时，方案1和方案3的Y′断面到达W=0.5L（L为隧道开挖跨度25.3 m）处，方案2的Y′断面到达W=1.0L处；施工至53步时，方案1和方案3的Y′断面到达W=1.0L处，方案2的Y′断面到达W=1.5L处；施工至59步时，方案1和方案3的Y′断面到达W=1.5L处。

不同方案下隧道位移随施工步变化曲线见图5。

图5 隧道位移随施工步变化曲线

由图5可知：①施工至25步时，隧道拱顶、仰拱和边墙均已产生位移。②三种方案拱顶沉降曲线最大斜率均出现在41步之前，41～53步拱顶沉降持续增大，在53步之后逐渐趋于平缓，表明隧道拱顶沉降会在一个循环开挖完成后，断面后方约1.0L（方案3）处逐渐趋于平稳。因此，在特大断面没有完全开挖时，各小断面的支护结构应及时封闭成环，以抑制拱顶沉降持续增大。③仰拱隆起曲线在41步之前仍大幅增加，47步之后迅速趋于平缓，表明隧道仰拱隆起会在一个循环开挖完成后，断面后方约0.5L（方案3）处趋于稳定。因此，可以在该范围内采用配重、施作仰拱等措施降低仰拱隆起。④方案3拱顶沉降、仰拱隆起均比其他两种方案小；方案2和方案3水平收敛曲线接近，而方案1水平收敛相对较大且变形稳定时间延后。

不同方案下衬砌最大主应力对比见图6。正值表示拉应力，负值表示压应力。可知：方案1—方案3最大拉应力分别为2.43、3.41、4.56 MPa，最大压应力分别为0.36、6.14、8.34 MPa。方案3仰拱处拉应力最大，易产生衬砌裂缝，施工时应对衬砌部位进行加强。

图6 不同方案下衬砌所受最大主应力对比（单位：Pa）

不同方案下监测断面衬砌弯矩对比见图7。可知：方案1衬砌弯矩分布基本对称，左拱肩弯矩最小，右拱脚弯矩最大；方案2衬砌弯矩分布不对称，右拱脚弯矩最大；与前两种方案相比，方案3仰拱以及左右拱脚处弯矩大幅增加；三种方案衬砌弯矩最大值均位于拱脚，因此应对隧道拱脚衬砌进行加强。

图7 不同方案下断面Y衬砌弯矩对比（单位：kN·m）

由三种方案的对比可知，方案3（双侧壁导坑法）仰拱隆起、拱顶沉降均比其他两种方案小；方案3衬砌弯矩大于其他两种方案，是因为拱顶、拱脚和仰拱产生了应力集中，采用双侧壁导坑法施工时应对该部位衬砌予以加强。

3 现场监测

根据三种分部开挖法的分析结果并结合现场实际情况，施工单位选择了双侧壁导坑法。施工现场共布设4个监测断面，对应的里程分别为CK12+610、CK12+650、CK12+700、CK12+740。本 文 对 断 面CK12+610处监测数据进行分析。

3.1 钢拱架应力

钢拱架应力时程曲线见图8。可知：①钢拱架内、外侧受力在0～14 d迅速增长直至稳定。②钢拱架内外侧均处于受压状态。最大压应力为39.4 MPa，位于钢拱架内侧，小于钢拱架抗压强度设计值215 MPa，结构处于安全状态。

图8 钢拱架应力时程曲线

3.2 围岩位移

围岩位移时程曲线见图9。其中测点1、测点2和测点3分别距掌子面1、3、5 m。可知：①距掌子面越近围岩位移越大，3个测点处围岩位移均是前7 d变化速率较大，之后逐渐趋于稳定。②拱顶沉降、边墙水平收敛最大值分别为17.48、8.54 mm。

图9 围岩位移时程曲线

4 结论

1）城市深埋特大断面隧道采用分部开挖时，与台阶法和交叉中隔墙法比，双侧壁导坑法拱顶沉降较小，对隧道变形的控制效果较好。

2）采用双侧壁导坑法施工过程中，拱顶沉降在一个循环开挖完成后，断面后方约1.0倍隧道开挖跨度处逐渐趋于平稳，仰拱隆起在一个循环开挖完成后，断面后方约0.5倍隧道开挖跨度处趋于稳定。

3）采用双侧壁导坑法施工时衬砌弯矩大于台阶法和交叉中隔墙法，应对隧道拱脚衬砌进行加强。