双侧壁导坑法隧道施工引起的地表沉降分析

刘伟伟

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，河南郑州 450001)

在城市中修建大断面隧道时，若隧道所处地层的岩土体自稳能力不足，按照一般方法施工可能会出现隧道塌方及支护失效等事故。哈尔滨地铁3号线湘会区间与地铁6号线的区间联络线隧道净空断面面积为150.27 m2，属于大断面隧道。

双侧壁导坑法是暗挖法的一种，它将一个大的开挖面分成多个小的导洞，分段开挖、及时支护、分段推进，以保证在特殊环境下施工的安全[1-2]。利用双侧壁导坑法开挖时，在支护条件相同的情况下，地面沉降及支护结构变形与开挖顺序有着密切的关系[3-4]。操太林[5]对试刀山隧道特殊地质段双侧壁导坑法的施工应用进行了研究；李晋宝[6]依据Peck公式对双侧壁导坑法隧道开挖引起的沉降进行了预测；王梦恕[7]根据北京地铁现场监测数据，认为单侧壁与双侧壁施工工法会诱发不同的地表沉降；熊炎林[8]对复杂段双侧壁导坑法施工的隧道引起沉降做了分析研究，得出了沉降曲线；康佐等[9]利用数值模拟的方法，对浅埋暗挖法地铁隧道施工诱发的地层变形进行了研究；刘兴庄等[10]研究了大断面公路隧道双侧壁导坑法的优缺点及其施工要点[11]；张兵兵[12]、张晓琳[13]、刘建平[14]对大断面隧道施工引起的地表变形进行了数值模拟，得出了地层变形机理和特征，但未与实际监测数值进行对比。

以哈尔滨地铁3号线湘江路站至会展中心站区间隧道为工程依托，利用MIDAS/GTS有限元软件进行数值模拟与实测，对双侧壁导坑法施工引起的地表沉降和隧道变形规律进行研究。

1 工程背景

1.1 工程概况

哈尔滨地铁3号线湘会区间南起湘江路车站，北至红旗大街车站。右线隧道开始里程DK20+657.517，结束里程为DK21+381.046，长723.529 m；左线起点里程为DK20+657.517，终点里程为DK21+381.931(设置长链0.499 m，短链3.250 m)，长721.663 m。本区间正线线间距为13～17 m。在DK20+717.517处设置区间人防结构。在DK21+010.317处设置区间2号竖井联络通道。在区间2号竖井施工横通道(左线位置)处设置与6号线相连接的联络线。

联络线处隧道断面较大(开挖宽度达14.15 m)，为了便于暗挖施工，减少施工风险，在联络线与左线交叉线位置增加暗挖开挖面， 利用现状道路一侧绿地作为施工场地，设置施工竖井(如图1所示)。

图1 联络线大断面示意

1.2 工程地质

本标段位于哈尔滨市南岗区、香坊区及道外区，地貌单元为岗阜状平原及松花江漫滩， 地势由南向北倾斜，高程为147.8～128.0 m， 相对高差较小。

根据地质资料，本标段分布地层由上至下主要为杂填土、粉质黏土、细中砂、中砂等，如表1所示。

粉质黏土结构一般较为松散，具有黏聚力较低、不均匀、不连续等特点，且粉质黏土成拱效应难以自然形成。隧道开挖时，土体将发生塑性变形而失稳。为了控制岩土体在施工时产生过大的变形，选取双侧壁导坑法进行施工。

1.3 隧道参数

超前支护采用拱顶深孔注浆加小导管注浆，初期支护采用350 mm厚网喷砼内设单层钢筋网和钢拱架，格栅距离为0.5 m。

隧道断面尺寸为14.15 m(宽)×10.62 m(高)。在隧道中线左右60°内设置超前小导管(φ42@300 mm，t=3.25，L=3 m，两榀一打，预注浆液)。隧道断面尺寸及纵向开挖步骤分别如图2、图3所示。

图2 联络线大断面示意(单位：mm)

图3 开挖纵剖面施工步骤(单位：m)

2 隧道施工过程数值模拟

2.1 模型的建立

采用MIDAS/GTS有限元分析软件，对双侧壁导坑法引起的地面沉降及隧道本身变形进行分析，不考虑地裂缝的影响。

本区间联络线大断面隧道采用双侧壁导坑法施工，有6个导洞。为了保证模拟的精确性，三维模型中各导洞开挖顺序与实际导洞开挖顺序保持一致。隧道上覆土层为11.2 m，可分为3层，岩土体采用mohr-coulomb本构模型；地铁隧道一般埋置深度较浅，在计算初始应力场时一般只考虑岩土体自重应力，共生成了32 018个节点，53 292个单元。模型的边界条件为：上表面即地表位置处为自由边界，其余边界施加位移约束。靠近隧道范围内的网格划分较密，其他区域网格划分较粗。模型尺寸取110 m×81 m×43 m，每施工步开挖进尺为0.5 m。小导管超前支护用实体单元来数值仿真，以增加其强度参数，形成加固圈。本次模拟工况为隧道埋深11.2 m，模型如图4，支护参数见表2。

表1 地层物理力学参数

表2 支护结构参数

图4 数值模拟计算模型

2.2 模拟监测点

模拟监测点与实际监测点位置横向与纵向距离偏差分别在0.5 m范围之内，在每个计算阶段提取对应的地表横向与纵向及拱顶沉降监测点的模拟值。

2.3 沉降值控制标准

监测项目沉降值控制标准如表3所示。

表3 沉降值控制标准

3 模拟结果与分析

隧道在Z方向的位移云图如图5所示。 由图5可以看出，开挖后土体呈现下沉趋势，距离隧道中轴线越近沉降越大，呈“漏斗"状， 隧道底部有隆起的趋势。在模拟开挖时以0.5 m为一个开挖步。

图5 开挖完成后竖向位移云图

3.1 地表沉降分析

监测断面取距马头门20 m处，当6个导洞开挖完成后，该断面的地表沉降曲线如图6所示，1号导洞施工产生的地表最大沉降量为21.15 mm，沉降曲线在导洞中线两侧呈对称分布。2号导洞施工使得地表下沉量增至24.22 mm，增加3.07 mm，下沉曲线向右扩展。3号导洞开挖后地表沉降量为25.66 mm，增加1.44 mm。4号导洞开挖的下沉量为26.13 mm，仅增加0.47 mm。5号导洞开挖后沉降值为29.11 mm，增加2.98 mm。6号导洞开挖后沉降量为30.18 mm，增大1.07 mm(大于地表控制值30 mm)。此时应加强监控，对地层进行预注浆处理。从以上地表沉降量数值结果可知，双侧壁导坑法上部导洞的开挖对地表沉降的影响大于下部导洞的开挖。

图6 各导洞开挖地表横向沉降曲线

监测断面取距马头门10 m处，取1号导洞、2号导洞、5号导洞上方对应的地面三个测点为监测对象，地面纵向沉降时程曲线如图7所示。 由图7可知，1号导洞施工时间最早，其前30个施工步产生的地表沉降量较另外两个上导洞略大。当施工步为61时，此时5号导洞开始施工，其拱顶上方对应的地表沉降测点沉降值已达到24.6 mm，说明由于1号导洞和2号导洞的施工造成5号导洞拱顶上方地表出现较大的沉降。当施工步到达86之后，地表纵向沉降曲线趋于稳定，故86步以后的施工对监测断面位置不造成影响。

图7 地表沉降时步曲线

3.2 拱顶下沉分析

支护结构如图8所示，1号、2号、5号三个导洞为上导洞，各导洞的拱顶沉降曲线如图9所示，监测位置为马头门洞口处。由图9可以得知，按照开挖面与监测断面的距离，曲线可以分为三个阶段。①急剧增大阶段：在0～15 m区段内，开挖破坏了原岩土体的平衡状态，拱顶下沉速率较大，此阶段最大下沉值为-17.79 mm，占拱顶总沉降量的66%。②缓慢增加阶段：在15～40 m区段内，初期支护逐渐形成一定的刚度，拱顶下沉速率减小，沉降量转为缓慢增大。③稳定阶段：当开挖面距离监测断面大于40 m时，拱顶沉降曲线趋于稳定。 之后，随着开挖面的不断推进，其对监测断面沉降值的影响可以忽略不计。另一方面，由于1号和2号导洞的开挖，使5号导洞的拱顶沉降量变大，5号导洞拱顶最大沉降量比两侧导洞大1～2 mm。 拱顶最终下沉量为28.35 mm(小于拱顶沉降控制值30 mm)，在控制范围之内。

图8 支护结构三维网格

图9 拱顶沉降曲线

4 现场实测数据分析

4.1 监测方案

沉降监测点采用φ150的钻机成孔，然后安装φ18的钢筋，钢筋顶部应低于路面8 cm左右。 采用带弯钩的膨胀螺栓打入拱顶位置作为拱顶监测点。地面下沉观测点的埋设如图10所示。测点布置情况如表4所示。

图10 地表下沉监测点埋设(单位：mm)

序号监测项目监测点位置监测断面间距/m1地表沉降拱顶上方地表52拱顶沉降拱顶10

4.2 现场监测点

为了对开挖过程进行动态控制，在隧道上方地面处及支护结构上布置沉降监测点，如图11、图12所示。其中，地表横向沉降监测点位于隧道内结构变形监测点所在断面正上方。地表横向位移监测点按两排布置，两排测点距离洞口分别为0 m及20 m；地表纵向沉降观测点位于隧道洞径宽度内地表之上。

图11 地表沉降监测点布置示意(单位：m)

图12 隧道变形监测点布置示意

4.3 现场监测数据分析

(1)地表沉降

地表沉降曲线如图13所示。由图13可知，随着工作面的推进，拱顶上方地面下沉表现为缓慢增长趋势。1号导洞施工较2号导洞施工早，开始阶段，2号导洞的沉降量小于1号导洞， 随着开挖的进行，其沉降量大于1号导洞，且3个导洞沉降曲线斜率基本一致。25 d时，地表沉降趋于稳定，最大地表沉降量为29.7 mm(小于地表控制值30 mm)，在控制范围之内。

图13 实际监测地表沉降曲线

(2)拱顶沉降

隧道拱顶下沉监测数据如图14所示。由图14可以得知，实际监测拱顶下沉曲线与模拟计算拱顶下沉曲线相符合[15]，同样可分为三个阶段。①急剧增大阶段：0～16 m(1倍隧道洞径)范围内，开挖破坏了原来岩土体的平衡状态，拱顶下沉速率较大，此阶段最大下沉值为-20 mm，占拱顶总沉降量的73%。②缓慢增加阶段：16～40 m区段内，初期支护逐渐形成一定的刚度，拱顶下沉速率减小，沉降量转为缓慢增大。③稳定阶段：当开挖面距离监测断面大于40 m时，拱顶沉降量趋于稳定。实际监测拱顶最终下沉量为27.23 mm，小于模拟拱顶最终下沉量28.35 mm，这是因为在实际监测过程中，受现场施工条件的限制，拱顶监测点的布设时间会有一定滞后，导致监测点获取的初始值偏小。初期支护对约束周围土体发生位移有显著的作用，拱顶沉降主要发生在1D(隧道洞径)范围之内。这一阶段应该加强监控。

图14 实际监测拱顶沉降曲线

5 结论

以哈尔滨地铁3号线湘会区间大断面隧道开挖为例，研究双侧壁导坑法施工引起的地表和拱顶下沉变形规律，得到了以下结论。

(1)采用双侧壁导坑法施工时，地表沉降曲线呈“漏斗”状，并且沉降曲线沿开挖导洞中线呈对称分布，影响范围为2.5D(D隧道洞径)左右。

(2)拱顶沉降主要发生在开挖面与监测断面距离0～15 m(1倍隧道洞径)范围内，占拱顶总沉降量的66%；当开挖面与监测断面距离在15～40 m范围时，拱顶下沉速率减小；当开挖面距离监测断面大于40 m时，拱顶沉降量不再增大而趋于稳定。

(3)在粉质黏土地层中，使用双侧壁导坑法开挖大断面隧道，可以显著降低地表沉降与支护结构的变形。