黄土地区暗挖段隧道中洞施工地层变形特性分析

周苋东，孙万里

(1.西安市地下铁道有限责任公司，陕西西安 710000;2.黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003)

黄土地区暗挖段隧道中洞施工地层变形特性分析

周苋东1，孙万里2

(1.西安市地下铁道有限责任公司，陕西西安 710000;2.黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003)

以西安地铁隧道为工程背景，在现场实测和数值模拟的基础上，研究了浅埋暗挖地铁隧道穿越黄土区时围岩的位移变形规律.结果表明，采用台阶法施工，上导引起的沉降量远小于下导引起的沉降量，下导开挖后应在最短时间内进行初期衬砌支护;上台阶开挖所引起的拱顶沉降量大于下台阶引起的沉降量，其沉降值在下导掌子面通过2D(D为隧洞洞径)距离后逐渐趋于稳定.

黄土地区;浅埋暗挖隧道;数值模拟;变形规律;台阶法施工

西安是黄土区首次修建地铁的城市.黄土特有的湿陷性使其工程特性在很大程度上有别于其他类土.尽管近几年随着北京、上海、深圳等城市地铁的大量修建，学者们对地铁隧道掘进力学特性和空间效应已进行了大量研究［1－5］，但均局限于普通黏性土、淤泥质土和砂质土.因此，这些研究所获得的经验参数和地层变形规律并不能很好地应用于黄土地区.为了给黄土地区或类似土质地区后续设计和施工提供指导和参考，研究黄土区地铁隧道掘进力学特性和空间效应十分必要［6－7］.

笔者以黄土地区浅埋暗挖地铁隧道围岩空间效应为研究对象，结合该领域已有的研究成果，综合运用现场监测、数理统计以及理论分析等方法，分析了隧道开挖对老黄土区纵向和横向的主要影响区域，利用数值分析手段模拟隧道的开挖支护，评价不同施工方法对黄土层稳定性的影响.

1 工程概况

西安地铁会展中心站配线暗挖段区间隧道为双联拱断面，断面右线长97.1 m，里程为 YDK20+390.085—YDK20+487. 185;左线长 98.239 m，里程为 ZDK20+390.085—ZDK20+488.324.双联拱断面采用中导洞+CRD法施工，联拱隧道采用中导洞超前贯通，中隔墙浇筑及上部回填后用中隔壁(CRD)法开挖两侧洞室.开挖过程中，上台阶采用预留核心土环型开挖法，以发挥掌子面三维支撑作用，防止其向外侧滑移，确保掌子面的稳定.循环进尺0.5 m.左、右洞错开约1倍洞径距离(5～10 m)施工.

该场地属西安市黄土区，工程影响深度内主要地层为上更新统风积黄土、残积古土壤及中更新统风积老黄土、残积古土壤(老黄土与古土壤交替成层)、冲积粉质黏土(夹砂).结合该区段的区域地层特性划分岩土层.土层分布及常用参数见表1.

该工程场地内无地表水系，地下水属第四系孔隙潜水类型，稳定水位埋深15.80～23.20 m，相应标高409.91～414.89 m.整体呈南高北低之势，水位年变幅为1～2 m.抗浮设计水位标高按425.0 m计.该站区潜水含水层为中更新世风积黄土、残积古土壤、冲积粉质黏土，整体上含水层透水性较差，赋水性弱，但厚度较大且比较稳定，含水层与隔水层分界不明显，含水层厚度20～80 m.潜水主要依靠秦岭山前洪积平原、黄土塬区大气降水入渗补给以及地表水径流入渗补给.开挖线位于地下水位以下约5.0 m，施工中均应降低地下水位，北部开挖线位于地下水位以上可不降低地下水位.但考虑该区域地势相对电视塔一侧地势较高，且多为绿地，大气降水可以直接下渗补给地下水，遇雨季地下水位短期抬高较明显，工点北部略高于地下水位的现状条件会发生改变，施工期基底可能遇地下水.同时因地表水渗入，软化了浅层湿陷性土层新黄土层，土体强度势必降低.

表1 土层分布及常用参数

2 暗挖段区间隧道中洞施工数值分析

2.1 计算模型的建立

此次建模在现场实测及结合以往经验的基础上选取计算范围.拱顶上部取上覆土层的平均埋深16 m，左右各取洞室外轮廓线向外5倍洞径距离，下卧土层的计算深度为仰拱向下6倍洞径距离.土体前后左右均有水平约束，下部有垂直约束，地表为自由边界.由于隧道开挖过程是应力释放过程，初期支护承担了大部分的荷载.通常在初期支护变形基本稳定时才进行二次衬砌，此时初期支护已经承受了70%的荷载，二次衬砌通常被作为一种安全储备.此次主要研究开挖时所引发的周围土体的位移和变化规律，因此不考虑二衬的作用.为了与实测数据进行比较，仅对中导洞开挖工况进行模拟.

图1 隧道计算模型

2.2 参数的选取

由于现场土层厚薄不均，相互交错，模拟实际的土层分布很困难，因此将围岩看成连续、均质和各项同性材料来处理.施工中初期支护为每0.5 m设工字

由于构造应力的复杂性和未知性，此次模拟只考虑重力应力场作为其初始地应力.计算模型采用Drucker－Prager屈服准则，围岩采用八节点六面体单元，支护体系采用四边形壳单元进行模拟.为建模方便，支护体系采用线成面的方式生成，在其常数属性里设定了厚度值.厚度值相对开挖土体和整个围岩很微小，因此这样设置对整个模型的计算精度无影响.隧道模型共生成45 100个实体单元，2 900个壳单元，54 044个节点.实体模型如图1所示.模拟支护体系的壳单元如图2所示.针对隧道的开挖和支护过程，ANSYS提供了独特的“生/死(Birth/Death)”单元进行模拟.隧道开挖时，可直接选择将被挖掉的单元，然后将其“杀死”以模拟土体的开挖.增加支护时，可首先将相应支护部分在开挖时“杀死”的单元激活，单元被激活时，具有零应变状态.钢拱架并沿洞周喷混凝土，模拟中只采用混凝土一种材料并对工字钢进行折算的方法处理.通过综合考虑，围岩及支护体系力学系数参照《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)选取，各参数见表2.

图2 支护体系的壳单元示意图

表2 围岩及支护体系力学参数

2.3 隧道开挖模拟分析

此次模拟采用短台阶施工方法进行隧道开挖.掘进流程为:首先上台阶开挖5 m，形成上下台阶的步距差，然后上下台阶同时掘进，开挖完毕马上进行初期支护——设仰拱和横撑.隧道总长50 m，上下台阶每次开挖进尺5 m，分11次步序开挖完毕.

在计算中考虑了自重应力的影响.土层在自重应力下出现一定的初始沉降，而实际上土层的沉降固结过程在过去漫长的地质年代中早已完成，隧道开挖对围岩的影响并不包括自重应力引起的位移.在ANSYS计算中，自重应力场和固结沉降是在第一计算步中才形成，分析后续施工对岩体的影响时应减掉自重应力引起的初始位移.图3为第2步、第6步和第11步开挖后所引起的地层位移云图.

由图3(a)可知，第2步开挖完成后，起始开挖面上的围岩位移已从拱顶呈“V”字形发展至地表.上导掌子面前方6 m(约1D，D为隧洞洞径)处已开始产生沉降.拱顶上方2 m范围内沉降量最大，该区域呈椭圆状，最大沉降值为25.8 mm.而隧道底部由于自重应力的消失，产生明显的隆起，隆起范围波及隧道底部约28 m的深度，整个隆起区域呈扇形，且洞底中部隆起量最大，达到了68.0 mm，随着与隧道距离的扩大，隆起量逐渐降低.

由图3(b)可知，第6步开挖完成后，隧道拱顶沉降范围有了明显的扩大.拱顶沉降量增大为28.3 mm，隧道底部的最大隆起量达到了76.6 mm，说明拱顶沉降和洞底隆起在第1步开挖结束后仍然会持续增长，且洞底底部发生隆起范围亦有所扩大.从进度看，此时隧道的上导掌子面位于纵向30 m处，而地表沉降的范围仍然在上导掌子面前方6 m(约1 D)处.

由图3(c)可知，第11步开挖结束时，地表沉降已贯穿了整个纵向面，地表发生沉降的横向范围较第2步开挖完成时并没有扩大，表明地表沉降的横向范围与隧道开挖进尺无关.此时起始开挖面的拱顶沉降量为28.1 mm，洞底隆起量为77.7 mm，两者同第6步完成时基本相同，说明第6步开挖完成时起始开挖面围岩变形已稳定.

2.4 地层位移变化规律

对25 m横向断面上节点位移进一步分析.取隧道中轴线上的地表点做隧道掘进与沉降的关系曲线，如图4所示.由于上导掌子面比下导掌子面超前5 m，因此总是上导最先开始影响测点，下导最后退出影响区.在分析时当上导掌子面未穿过测点断面时，取上导曲线作为前半程分析对象，当其穿过测点断面后取下导曲线作为后半程分析对象.

图4 隧道掘进与地表沉降关系曲线

由图4可知，当L/D＜－3时，沉降量很小，曲线在L/D=－3处出现了拐点，即测点进入了影响区.随着掌子面不断靠近测点断面，测点的沉降量开始出现快速增长.当L/D=2时，下导曲线出现拐点，表明测点快速沉降阶段结束，沉降值将很快趋于稳定.由此，可判断短台阶法的整个施工过程对测点的影响范围为－3D到2D.

该断面上的地表点沉降槽曲线监测数据表明，从第1步开挖开始，随着掌子面的不断靠近，沉降槽的深度不断增加，直到第10步开挖完成时，沉降槽曲线基本稳定.但整个发展过程中沉降槽的横向发展范围变化很小，表明沉降槽的宽度与沉降槽的发展深度并没有直接关系，在沉降槽形成初期就已确定.整个沉降槽宽度为60 m，曲线的拐点在轴线两侧11.5 m左右.

3 现场实测数据统计分析

3.1 中导洞掘进纵向地表沉降

中洞全线长 97.10m，里程为 DK20+390.085—DK20+487.185.隧道埋深11 ～18 m，开挖宽度5.80 m，高度9.13 m.断面形式为直墙拱形.中洞采用短台阶人工小步距开挖，循环进尺1.0 m，风镐配合施工.测点布置分为A，B，C，D 4个断面，里程分别为 DK20+410，DK20+430，DK20+450，DK20+470.每个断面设8个测点，间距为5 m.其中，DK20+450，DK20+470两个断面的监测结果较为全面地体现了隧道上下导开挖对沉降的影响.监测数据［8－9］表明:①浅埋暗挖隧道台阶法施工时，上导对测点的影响范围为－2D～D，下导对测点的影响范围为－2D～3D;②上下导对测点的影响存在一段交叉区，即上导对测点的影响还没有完全退出时，下导已经开始对其造成影响;③采用台阶法施工，下导对沉降量的影响大于上导，由此在下导开挖后应在最短时间内进行初期衬砌的支护，使其尽快达到闭合结构，减少围岩的松动，减小沉降.

3.2 中导洞掘进横向地表沉降

施工中重点监测了里程DK20+410，DK20+430，DK20+450，DK20+470 4 个断面，由于监测开始时上台阶掌子面已经通过了DK20+410，DK20+430两个断面，因此此次监测这两个断面的沉降值不包括上台阶的开挖对其沉降的影响.DK20+450，DK20+470两个断面记录了隧道开挖对地表沉降影响的全过程(从上台阶掌子面的逼近到下台阶掌子面的远离).由于土层分布的不同，这两个断面的沉降值具有一定差异.从沉降槽监测数据看，沉降曲线均对称且接近于正态分布，横向沉降槽宽度(沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离)约为11 m.由于土层具有不同程度的湿陷性，其在降雨后的湿陷也宏观表现为沉降，因此曲线拐点外侧的土体沉降量并没有很快收敛.对DK20+450，DK20+470两个断面测点沉降稳定后的沉降曲线进行高斯曲线拟合［10］，两条曲线对比如图5所示.由图5可知，实测曲线和拟合曲线吻合很好，由于两侧土体的不均匀性使得拟合曲线的顶点稍微偏离于中轴线.

图5 实测沉降槽和其高斯拟合曲线对比

4 结语

1)浅埋暗挖隧道台阶法施工时，上导对测点的影响范围为－2D～D，下导对测点的影响范围为－2D～3D.上导引起的沉降量远小于下导引起的沉降量.因此在下导开挖后要在最短时间内进行初期衬砌的支护，使其尽快达到闭合结构，减少围岩的松动，减小沉降.

2)沉降槽可以用高斯曲线进行较好地拟合，但由于黄土的湿陷性系数和各地区土质的差异性，沉降槽宽度只对类似土质具有参考意义.

3)采用台阶法开挖时，上台阶开挖所引起的拱顶沉降量大于下台阶所引起的，其沉降值在下导掌子面通过2D距离后逐渐趋于稳定.

4)采用CRD法开挖隧道时，由于对围岩进行扰动的次数增多，在后续开挖所引发的测点沉降量远大于首次开挖所引起的.因此在后续施工时要使初期衬砌尽快闭合，以达到减小围岩位移的目的.

［1］阳军生，刘宝琛.城市隧道施工引起的地表移动与变形［M］.北京:中国铁道出版社，2002.

［2］张顶立，黄俊.地铁隧道施工拱顶下沉值的分析与预测［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(10):1703 －1707.

［3］吕勤，张顶立，黄俊.城市地铁暗挖施工地层变形机理及控制实践［J］.中国安全科学学报，2003，13(7):29－34.

［4］郑怀洲.北京地铁东四站地表沉降监测数据分析［J］.铁路标准设计，2006(4):60－62.

［5］杨海芹，李俊才，陈志宁，等.浅埋暗挖隧道施工中纵向地表下沉的规律［J］.南京工业大学学报:自然科学版，2008，30(3):56 －60.

［6］刘宝琛，张家生.近地表开挖引起的地表沉降的随机介质方法［J］.岩石力学与工程学报，1995，12(4):289－295.

［7］石广银，邢心魁，宋战平，等.隧道施工动态仿真分析［J］.水利与建筑工程学报，2008，6(2):19 －21，24.

［8］Li Hui，Yang Xiaohong，Liu Hongfei.Analysis of dynamic stability about prestressed anchor retaining structure［C］//Chen Zuyu，Zhang JianMin，Ho Ken，et al.Proceedings of the 10th International Symposium on Landslides and Engineered Slopes Landslides and Engineered Slopes.Florida:CRC Press，2008.

［9］李辉，刘宏飞，宋战平.西安浅埋暗挖隧道地铁施工地表沉降分析［J］.铁道建筑，2010(6):58－61.

［10］常彬彬，刘山洪，韩健.Origin软件在隧道监控测量数据处理中的应用［J］.重庆大学学报:自然科学版，2008，27(2):221－224.

An analysis of the Characteristics of Stratum Deformation in the Tunnel’s Mid-cavern Construction in the Shallow Embedded Region in Loess Area

ZHOU Xian-dong1，SUN Wan-li2
(1.Xi'an Underground Railway Co.Ltd.，Xi'an 710000，China;2.Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd.，Zhengzhou 450003，China)

The paper researches the deformation law of the displacement of the surrounding rock when the shallow embedded underground railway tunnel passes through the loess area on the basis of on-spot measurement and numerical simulation against the background of Xi’an underground railway tunnel.The research shows that with the bench method，the settlement quantity caused by the upper guide would be much smaller than that by the lower guide，and the initial lining support must be completed within the shortest time after excavation.The research also indicates that the settlement quantity caused by upper bench excavation is larger than that by lower bench excavation and the settlement quantity comes to be stable after the tunnel face of the lower guide passes through a distance of 2D(D is the diameter of the tunnel).

loess area;shallow embedded tunnel;numerical simulation;the deformation law;bench method

1002－5634(2012)02－0119－05

2012－01－20

周苋东(1978—)，男，陕西洋县人，高级工程师，主要从事城市地铁工程管理方面的研究.

(责任编辑:乔翠平)