大断面黄土隧道浅埋暗挖法施工力学特性研究

隋金廷

摘要：针对大断面隧道施工的技术复杂性问题，结合实际的城市轨道交通项目，研究浅埋暗挖法施工力学特性。在传统双侧壁导坑法基础上优化施工工艺，提出快速施工法。通过FLAC-3D软件，分析钢拱架间距、开挖步距和混凝土厚度对隧道施工稳定性的影响。建议钢拱架的间距取0.5m或1.0m，开挖步距取1m或2m，喷射混凝土厚度取400mm或者450mm。与传统双侧壁导坑法相比，快速施工法的位移值较小，应力值略大，但各处应力值均小于材料本身的屈服强度，钢拱架受力处于安全状态，隧道施工过程稳定可靠。

关键词：大断面；黄土隧道；浅埋暗挖；力学特性

0   引言

地铁隧道作为地铁线路的重要组成部分，其施工质量和安全性直接影响着轨道交通项目的建设效果[1]。近年来，随着城市规模的不断扩大和交通压力的不断增加，大断面的地铁隧道施工项目逐渐增多，相应的施工技术和力学特性更为复杂[2]。本文结合依托实际的城市轨道交通项目，研究大断面黄土隧道的施工技术和力学特性，提出双侧壁导坑快速施工法，分析施工参数对隧道结构稳定性的影响，为类似工程项目提供有价值的参考。

1   工程概况

某城市轨道交通项目隧道工程总长约为21km，项目总造价为87亿元。考虑到施工地的黄土地质特点，隧道采用大断面设计，隧道的断面宽约25.6m，高度约为19.5m。项目采用浅埋暗挖法施工，为了满足快速施工需要，项目部拟采用双侧壁导坑法进行开挖。施工区域地质情况如表1所示。

2   浅埋暗挖施工法特点

2.1   施工高效

可实现同时开挖两个隧道壁，两个壁面同时施工，有利于缩短工期[3]。

2.2   地面影响小

浅埋暗挖法大部分的施工活动都在地下进行，对地面的干扰和破坏相对较小，降低了对城市功能的影响。

2.3   安全性高

该施工方法可以减少地面塌方和土体滑移的风险，从而提高施工的安全性。

2.4   适应性广

浅埋暗挖施工法适用于各种地质条件和地下环境，可用于软土、黏土、砂土和岩石地层，具有较大的灵活性和适应性。

3   快速施工工艺流程

工程项目隧道面积约为420m2，属于大断面隧道施工。若采用普通双侧壁导坑法，可分9步开挖。在左右导坑开挖完成后，中间部位的上部土体作业面将处于凌空状态，高度为12.8m。此时存在较大的施工安全隐患，且施工速度较慢[4]。为了排除施工安全隐患，加快施工进度，在传统双侧壁导坑法的基础上，通过优化施工工艺提出快速施工法。快速施工工艺如图1所示，具体施工内容如表2所示。

隧道挖掘过程中，应尽量减少对周围土体的扰动。初期支护采用型钢钢架或格栅钢架，挂上钢筋网片后，立即喷射混凝土，以使断面尽早形成闭合结构，有效控制拱顶竖向位移和边墙水平位移[5]，确保施工稳定性和安全性。

4   施工参数影响和力学特性分析

双侧壁导坑快速施工法的有关参数对拱顶位移和支护体系应力有重要影响。为了分析得出适合本工程的施工参数，利用FLAC-3D有限元分析软件，对钢拱架间距、开挖步距和喷射混凝土厚度三个方面进行数值模拟，并分析力学特性。

4.1   钢拱架间距的影响

根据工程实际情况，设定钢拱架曲率半径为23m、导坑宽度为9m、喷射混凝土厚度为300mm，在此工况下分析不同钢拱架间距对围岩位移和钢拱架应力的影响。

4.1.1   不同钢拱架间距条件下位移变化

不同钢拱架间距条件下，隧道10m断面处的拱顶竖向位移、边墙水平位移的变化曲线如图2所示。由图2可知，钢拱架间距为0.5～2.0m的4种工况下，拱頂垂直位移和边墙水平位移的变化规律基本一致。随着开挖进度，位移逐渐增大，最终基本稳定。0.5m的钢拱架间距，拱顶竖向位移最小，稳定在7.3mm，边墙水平位移稳定在4.2mm。仅从位移变化方面考虑，钢拱架间距可取0.5m或1.0m。

4.1.2   钢拱架应力与间距关系

隧道10m断面处，钢拱架最大应力与钢拱架间距的关系如图3所示。由图3可知，钢拱架间距为1.5m和2.0m时，最大应力达到235.1MPa和247.6MPa，超过了钢拱架材料本身的屈服强度，造成安全隐患。因此，建议钢拱架的间距取0.5m或1.0m。

4.2   开挖步距的影响

施工过程中，采取较大的进尺进行开挖，可提高施工效率，缩短工期。但是开挖步距过大往往会带来安全隐患。不同开挖步距条件下，隧道10m断面处的拱顶竖向位移、边墙水平位移的变化曲线如图4所示。

由图4可知，拱顶位移和边墙水平位移与开挖步距呈现正相关的规律。开挖步距为1.0m或2.0m时，最终的拱顶位移比其它步距明显减小。这是因为开挖步距较小，对周围土体的扰动较小，拱顶变形量较小。而边墙水平位移在较小的开挖步距参数下，最终的稳定值也较小。因此，施工工程中建议以1m或2m作为开挖步距。

4.3   喷射混凝土厚度的影响

隧道挖掘施工阶段，喷射混凝土形成支护结构，对维持隧道稳定性至关重要。不同混凝土厚度条件下，隧道10m断面处的拱顶竖向位移、边墙水平位移的变化曲线如图5所示。

由图5可知，随着喷射混凝土厚度的增加，初期支护结构的稳定性增强，拱顶竖向位移、边墙水平位移呈现出变小的趋势。混凝土厚度为450mm时，拱顶竖向位移稳定值为6.3mm，边墙水平位移为3.9mm。但过厚的混凝土，会增加施工难度，减缓施工进度。因此，实际施工中，建议喷射混凝土厚度可取为400mm或者450mm。

4.4   力学特性分析

快速施工法是在传统的双侧壁导坑法的基础上调整开挖顺序，提前开挖上部核心土，增加竖向支撑，本文通过力学特性对比分析，以验证快速施工法的合理性。

4.4.1   位移对比分析

2种施工方法下，10m断面处的拱顶竖向位移、边墙水平位移值如表3所示。通过表3的对比数据可知，拱顶竖向位移、边墙水平位移，快速施工法的位移值均小于普通双侧导坑法。由此说明施工过程中，隧道结构稳定，变形较小，安全系数高。

4.4.2   钢拱架应力对比分析

2种施工方法下，10m断面处的钢拱架应力如表4所示。由表4可以看出，与普通双侧壁导坑法相比，快速施工法的各点处的应力值略大。2种施工方法的最大应力值均出现在竖向临时支撑处，但均小于Q235屈服强度，钢拱架受力处于安全状态下，隧道施工过程稳定可靠。

通过以上分析可知，双侧导坑快速施工法能有效地控制施工面的凌空高度，施工过程中隧道变形量较小，安全系数高，并能缩短施工周期，实现高效施工。

5   结束语

本文结合某城市轨道交通项目，对大断面隧道施工的力学特性展开研究，得出如下结论：

在传统双侧壁导坑法基础上，通过优化施工工艺，提出快速施工法。该方法有利于减少施工过程中的安全隐患，实现高效、安全的大断面地铁隧道施工。

通过FLAC-3D软件，分析钢拱架间距、开挖步距和混凝土厚度对隧道施工稳定性的影响，建议钢拱架的间距取0.5m或1.0m，开挖步距取1m或2m，喷射混凝土厚度取400mm或者450mm。

对比分析传统双侧壁导坑法和快速施工法可知，快速施工法的位移值较小，应力值略大，但各处应力值均小于材料本身的屈服强度，钢拱架受力处于安全状态下，隧道施工过程稳定可靠，由此验证了快速施工法的合理性。

參考文献

[1] 井洪涛.浅埋暗挖黄土隧道地层及围岩力学特性变化规律

[J].科学技术与工程，2020，20（29）：12137-12142.

[2] 董建松.城市道路交通荷载对下方浅埋暗挖大断面隧道动

力响应特征分析[J].福建交通科技，2023，No.203（02）：58-63

+72.

[3] 宗振宇.浅埋暗挖隧道施工对软弱富水地层变形影响分析

[J].天津建设科技，2022，32（1）：5-9.

[4] 李鹏.大跨度浅埋暗挖隧道安全评估及施工力学分析[J].交

通科技，2021，307（4）：116-120+124.

[5] 连一川.紧邻建筑物之隧道浅埋暗挖施工变形控制及数值

模拟研究[J].四川水泥，2023，320（4）：230-232.