黏土地层地铁隧道开挖工法的选择

高诗明，张炜闪，王双超，唐霞，陈建平

(1．中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074;2．河南理工大学万方科技学院，河南郑州451400)

黏土地层地铁隧道开挖工法的选择

高诗明1，张炜闪2，王双超1，唐霞1，陈建平1

(1．中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074;2．河南理工大学万方科技学院，河南郑州451400)

在工程建设中，隧道往往穿越复杂的黏土地层。鉴于黏土体流变性、不均匀性、压缩性高、强度低、透水性差等特点，隧道需采用恰当的施工工法。文章采用有限元软件Plaxis对武汉地铁2号线一期工程25标段进行了全断面法、正台阶先拱后墙法和预留核心土法三种施工工法的对比分析。结果表明:预留核心土法在黏土地层施工中，能有效控制洞周位移和围岩塑性区的发展，并可显著改善围岩和支护结构的受力情况，是较为合理的施工工法。

黏土 地铁 施工优化 数值计算

在隧道工程建设过程中不可避免地要穿越复杂的黏土地层。而黏土地层又具有流变性、压缩性高、强度低、透水性差等复杂的物理力学性质。因此，根据实际工程黏土体的物理力学性质及其分布，正确评价不同施工工法对地铁隧道围岩稳定性的影响，选择恰当的施工工法尤为重要。许多学者对黏土地层条件下隧道施工方法展开了研究。何宗文［1］以大连疏港高速公路松树岭砂质黏土隧道为例，研究了上下断面短台阶法开挖隧道时对地面位移产生的影响等;秦国刚［2］结合天恒山隧道工程实践，分析了大跨度浅埋黏土隧道三台阶法开挖的工艺流程、质量控制方法等;李兵等［3］结合云阳山隧道软弱围岩亚黏土地层情况，讨论了七步开挖法在实际工程中的应用问题。

尽管国内外学者已经做了大量研究，但不同地区黏土地层的性质存在明显差异，文章以武汉地铁2号线一期工程25标黏土地层为对象，建立隧道计算模型，模拟分析全断面法、正台阶先拱后墙法、预留核心土法三种不同施工工法下地铁隧道围岩的位移、塑性区、初支内力以及弯矩的变化，并结合地铁隧道现场监测结果，选择合适的施工工法。以期为同类隧道的施工提供参考。

1 工程概况

武汉地铁2号线一期工程横穿长江南北，隧道沿线交通量大，交通干道纵横交错，地下管线错综复杂，高层建筑分布密集。沿线广泛分布黏土层，隧道上覆人工填土，厚度不一，状态多样，硬塑、可塑、软塑均有存在。穿越的第四系土层分布复杂，主要为黏土地层在水文地质条件、地质构造条件、地层岩性组合、土体成因类型等方面，不同地貌单元间存在着明显的差异。地铁自北端的金银潭车站到南端的光谷广场车站，依次穿过长江二级阶地区、一级阶地区、河床河道区、三级阶地区和剥蚀丘陵地貌区等地貌单元，如图1所示。

图1 武汉市地铁2号线沿线地貌单元划分

2 隧道开挖模型的建立

采用荷兰Delft科技大学开发的Plaxis有限元软件进行模拟分析，该软件能够模拟复杂地质条件下的工程情况，并对工程岩土体的稳定情况和变形发展进行分析。

计算模型为三维模型，模型采用Mohr-Coulomb准则，隧道净高5.8 m，净宽5.2 m，埋深15 m，模型高度40 m，纵向长30 m，两侧边界距离洞中心30 m。因为模型及开挖方式基本对称，所以只考虑其中一半，三维模型如图2所示。在没有额外附加参数的情况上暂不考虑节理、层理、剪切带等地质软弱面。

本次计算所采用材料的物理力学参数均取自设计报告，具体如表1和表2所示。

图2 隧道开挖三种不同工法的三维模型

表1 黏土地层岩土体物理力学参数建议值

表2 初期支护力学参数

3 模拟结果与分析

1)三种施工工法的位移对比

采用全断面法、正台阶先拱后墙法、预留核心土法三种施工工法开挖时引起的总位移等值线图如图3所示。可见，随着施工的进行，各项位移值都在不断增加。拱顶下沉速度在开挖初期较大，之后位移曲线逐渐趋于平缓。隧道最大沉降量出现在拱顶，其值为170，300，38 mm。

预留核心土法开挖时产生的最大拱顶沉降量为38 mm，远远小于全断面法(170 mm)和正台阶先拱后墙法(300 mm)。这主要是因为预留核心土法施工是在弧形导坑前进一段距离后才挖除中央核心土，能很好地稳定隧道掌子面。正台阶先拱后墙法施工先开挖拱顶再开挖边墙，拱顶围岩容易发生塌落现象，不利于掌子面的稳定。而全断面法开挖时对隧道一次性产生很大扰动，容易对支护结构产生不利影响。考虑到城市地铁隧道开挖时应严格控制地表沉降，以免对既有建筑物及管线造成不必要的损害，故建议选择预留核心土法开挖。

图3 三种施工工法的总位移等值线

2)三种施工工法的塑性区发展对比

采用全断面法、正台阶先拱后墙法、预留核心土法三种施工工法开挖时引起的塑性区分布模拟值如表3所示。

从表3可以看出，采取全断面法开挖时塑性区分布较密集，边墙处、墙脚处、拱脚处、底部延伸深度分别为2.5，2.8，2.0，3.0 m。采用正台阶先拱后墙法开挖时塑性区分布稀疏，边墙处、墙脚处、拱脚处、底部延伸深度分别为1.6，2.6，1.2，2.4 m。采用预留核心土法开挖时塑性区分散，边墙处、墙脚处、拱脚处、底部延伸深度分别为1.5，2.4，1.1，2.5 m。

在塑性区发展方面，预留核心土法塑性区范围最小，边墙处、墙脚处、拱脚处延伸深度均小于全断面法和正台阶先拱后墙法;底部延伸深度小于全断面法，略大于正台阶先拱后墙法。故从控制塑性区发展方面考虑，亦应选择预留核心土法。

3)三种施工工法的轴力和弯矩对比

三种施工工法下隧道初期支护的轴力弯矩值对比如表4所示。

表3 三种施工工法塑性区分布

表4 三种施工工法初期支护的轴力弯矩对比

从初期支护受力来看，预留核心土法初期支护的最大轴力以及最大弯矩分别出现在拱肩和拱顶，其中最大轴力为800 kN，最大弯矩为56 kN·m，均小于全断面法和正台阶先拱后墙法。这说明采用预留核心土法施工能有效地改善围岩受力状态，使得初期支护主要承受压应力作用。轴力值、弯矩值远小于衬砌支护的承载力极限状态，不影响结构的安全。

综合比较分析全断面法、正台阶先拱后墙法、预留核心土法三种施工工法，建议在黏土地层中采用预留核心土法。

4 隧道监测数据与模拟结果的对比

城市具有复杂的地质条件，无论是通过理论计算、工程类比还是数值模拟所获得的设计方面的资料，都可能与现场施工情况有一定的出入。因此，现场监控量测是检验实际工程合理性的最重要的手段和标准［4］。

拱顶是隧道周边挠度最大处，其位移具有较强的代表性。武汉地铁2号线一期工程25标段围岩主要为黏土地层，现场施工中采用预留核心土法开挖，此标段隧洞埋深为8～20 m。因此选取了25标段YDK25 +550，YDK25+580和ZDK25+565 3个典型断面为研究对象，对其拱顶变形进行分析，如图4所示。

图4 黏土地层拱顶沉降曲线

从图4可以看出，3个典型断面的实测拱顶下沉为44～46 mm，而利用有限元软件Plaxis模拟的拱顶下沉为38 mm。有限元模拟结果与现场监测资料基本吻合。

5 结论

文章以武汉地铁2号线一期工程25标段为研究背景，采用有限元软件Plaxis模拟隧道穿越黏土地层时，三种工法施工引起的围岩位移、塑性区发展、初期支护轴力和弯矩的变化，得到以下结论:

1)在黏土地层中，采用预留土法施工可以有效控制拱顶下沉和周边收敛，特别是在隧道穿越不良地层时核心土的作用尤为明显。

2)预留核心土法施工时，塑性区较分散而且范围较小，能很好地控制塑性区的发展。

3)从初期支护受力来看，采用预留核心土法施工初期支护承受的最大轴力以及最大弯矩小于全断面法和正台阶先拱后墙法，说明预留核心土法施工在改善支护的受力情况方面要优于后者。建议在土质较差地段采用预留核心土法。

4)采用预留核心土法开挖的有限元模拟结果与实测结果基本吻合，故建议采用预留核心土法。

［1］何宗文．大跨度砂质黏土隧道施工变形规律研究［J］．现代隧道技术，2009，46(4):12-18．

［2］秦国刚．大跨度粘土公路隧道台阶法施工技术探讨［J］．华北水利水电学院学报，2009(6):1-3．

［3］李兵，何英伟，阳军生，等．云阳山隧道亚粘土地层台阶七步开挖施工技术［J］．公路工程，2008，33(5):96-98，103．

［4］武圆月，龚洁英．北京地铁10号线草桥站至纪家庙站区间盾构隧道施工监测与分析［J］．铁道建筑，2013(9):34-38．

(责任审编葛全红)

U455．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．19

1003-1995(2015)04-0070-03

2014-10-20;

2015-02-10

高诗明(1987—)，男，山东沂南人，博士研究生。