回填土大跨超浅埋地铁隧道开挖稳定性分析

鲍先凯， 王舒锐， 李文辉， 张武， 吴宁

(1.内蒙古科技大学土木工程学院， 包头 014010； 2.中铁十二局集团第三工程有限公司， 太原 030024)

近年来，随着中国城市规模的扩大，城市交通运输矛盾日益突出，交通拥堵现象日益严重。中国主要城市根据城市可持续发展和健康城市交通发展的需要，积极规划城市轨道交通项目。中国地铁和地下工程建设事业因此取得快速发展，然而越来越多的城市遇到复杂环境下的隧道施工问题，如岩溶、富水砂层、回填土等复杂地质环境，超小净距、大跨度、超浅埋开挖及近距离下穿现有建筑物桩基础，公路、铁路等复杂施工环境。

Zhao等[1]分析了大断面黄土隧道建设关键技术，通过优化台阶长度、高度及开挖进尺，在超前小导管辅助施工下，以三台阶七步法成功实现隧道稳定开挖；Chen等[2]在乐团隧道施工，对半部中隔壁法(center diaphragm,CD)、中隔壁法、交叉中隔壁法(center cross diaphragm,CRD法)开挖进行影响分析，发现采用上台阶CD法，在满足岩体变形和结构安全的前提下，可以提高施工效率和经济性，上台阶CD法适用于超大跨度隧道的浅埋及地下开挖；Qin等[3]以京沪高速连接线公路隧道为背景，开发三维组合大型地质力学模型试验系统，对超大断面及小空间浅埋隧道开挖过程进行模型试验，发现开挖过程中左右隧洞变形会受到二次叠加扰动效应的影响；仇文革等[4]对大断面隧道初期支护的稳定性做出了优化，并对优化隧道进行数值模拟，借助围岩位移，塑性区及应力指标分析证明优化可靠性；曹成勇等[5]通过构建基于功效系数法的隧道施工风险评估模型，使隧道成功穿越机荷高速公路；邱明明等[6]对四车道公路隧道开挖力学响应进行研究，提出适合V级围岩大跨隧道开挖方法及控制措施；Heng等[7]基于两座超浅埋大矩形截面地下通道的实测结果，建立沉降拟合函数，提出了超浅大矩形截面城市地下通道沉降的简单预测方法；Shi等[8]在水下隧道施工中，通过采用合理支护方法，克服水下超大断面隧道施工难题；赵志刚等[9]采取临时拱加固、径向注浆加固和强化支护参数三种方法加固方法确保施工安全和进度。贾月卿等[10]通过研究浅埋偏压隧道稳定支护时机，发现拱顶变形主要受初期支护时机影响。刘德安等[11]基于离散元方法构建泥岩隧道模型，分析围岩变形特征，并提出相应预加固措施；林锦腾等[12]采用数值模拟和现场监测手段对超浅埋隧道在开挖过程中围岩变形规律进行了分析，开挖后的围岩变形分为变形急増、变形缓慢和变形平稳3个阶段，且变形急増阶段变形最大需重点关注。

然而以上这些研究对象大多为公路、铁路隧道，对回填土大跨超浅埋地铁隧道施工稳定性研究较少。根据贵阳市地铁1号线望新区间隧道复杂的施工情况，分析了影响回填土大跨超浅埋地铁隧道稳定关键因素，首次将三台阶七步开挖法引入地铁区间隧道施工中，并进行了地铁隧道穿越回填土的数值模拟研究，得出其上覆土层沉降与隧道围岩应力、围压变形规律，并且对现场实测数据和数值模拟进行了对比分析，为今后类似环境下地铁隧道施工提供借鉴和参考。

1 施工工况

贵阳市轨道交通1号线望新区间左隧ZDK29+374.15～ZDK30+582.00，长为1 207.85 m，为单洞双线隧道，断面为五心圆仰拱曲墙式。最大开挖宽度为13.8 m，高度为9.96 m，断面面积102.5 m2，最小埋深为5.8 m，为大跨超浅埋隧道。穿越回填土、岩溶发育区，周边环境、工程地质及水文地质情况复杂。隧道大部分位于原水塘和稻田块石回填区，后修建城市道路，回填厚度大，回填料不均匀，密实度差、松散；沿线周边建筑物多、施工范围内地下管线多，且既有雨污水管线离隧道拱顶竖向距离最近，仅为约0.2 m，污水管及雨水管均为砼管，管线渗漏严重，且拟建隧道为周围地势最低处，为周边大气降水、生活污水和地下水汇集区，隧道施工中掌子面涌水量大施工难度大，安全风险高。

在如此复杂的水文、地质条件和周围建筑环境下进行大跨度、超浅埋地铁区间隧道的开挖在国内还是比较少见。施工中存在掌子面涌水，流砂及地表塌陷的危险，因此要求绝对沉降控制在30 mm内，差异沉降控制在5 mm内，沉降速率控制3 mm/d在以内，当达到预警值80%时停止施工。

2 隧道稳定性关键影响因素分析

2.1 岩性的影响

围岩的稳定通常会受到围岩的岩石性质和岩体结构的影响，这是影响围岩稳定性的基本要素。如果隧道围岩的整体性较差，则强度较低、节理裂隙发育或围岩破碎，即围岩破碎、较破碎或极破碎。那么围岩的次生应力会产生较大的塑性变形或破坏带，而节理裂隙间的岩层错动会增加滑动变形，它将对围岩的稳定性产生重大影响，不利于隧道硐室的稳定。

该隧道拱顶部位及隧道上覆土层为回填土，回填土层主要由块石、少量碎石及黏土组成，硬杂质含量45%～60%，粒径为8～45 cm，局部达1 m，由于回填稻田及水塘，这类混合填料的厚度变化很大，均匀性差，土层结构松散，有机质含量较多，承载力低，压缩性高，暴露在水中容易湿陷[13]。同时由于不同的堆填方式，一般回填厚度不均匀，土层含有各种其他成分，而且沉积时间较短，处理难度较大，影响本隧道的开挖。

2.2 埋深与覆跨比的影响

现代地铁隧道的修建逐渐向大跨度、小净高[2]的方向发展，并且埋深较浅，开挖后周围岩体会产生位移，难以形成自然平衡拱，所以会导致地层变形、沉降，对隧道施工、周围环境产生影响。

进行浅埋暗挖隧道的设计时，通常会考虑覆跨比，合理的覆跨比是确保浅埋暗挖隧道施工安全经济的重要前提[14]。覆跨比通常由h/d确定，其中h为隧道埋深，d为隧道跨度，如图1所示，当覆跨比低于0.6时，地层会随拱顶沉降产生较大沉降；地层可形成承载拱时，覆跨比介于0.8～1.2；地层可充分形成承载拱时，覆跨比大于1.2；当覆跨比介于2～3时，隧道开挖对地层沉降的影响较小。

望新区间隧道最小埋深为5.8 m，覆跨比最小为0.4，所以为超浅埋隧道，且隧道上覆土及拱顶开挖范围内均为回填土，难以形成地层承载拱，松弛压力较大，开挖过程中地面沉降较大，拱顶易发生坍塌事故。

图1 覆跨比示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of thickness-span ratio

3 数值计算

3.1 数值模型

现代数值模拟方法在工程实际应用和科学研究中具有重要的作用，是分析工程结构变形、失稳和破坏的重要手段之一。

在模拟过程中，计算模型只考虑一定范围内的土体特性，在计算过程中对实际工程进行简化，只考虑围岩自重[15]，模型下部受Z方向位移约束，侧部受X方向的位移约束。模型在水平方向上左右两边取3倍洞跨，竖向埋深设定为5.8 m，开挖宽度为13.8 m，断面面积为102.5 m2，覆跨比为0.43，隧道截面按五心圆仰拱曲墙式设计。

模型建立过程中，围岩为实体单元，材料力学模型选用Drucker-Prager模型，相较于Mohr-Coulomb模型来说，考虑了中间主应力的影响，收敛性较好，适用范围广；喷混支护采用板单元；锚杆以植入式桁架单元模拟，三维计算模型如图2所示。

图2 计算模型Fig.2 Calculation model

3.2 计算参数

隧道拱顶上方为回填土，回填土物理参数经由现场实测进行选取；洞身开挖范围内为回填土及中风化砂岩，洞身开挖范围以下为强风化泥岩；模拟计算时支护使用锚杆加喷混，锚杆长度为4 m，直径为0.025 m；喷混厚度为0.3 m，开挖过程中支护结构强度经等效换算添加到喷混中，计算过程中使用的岩体及支护结构具体计算参数如表1所示。

表1 数值模型计算参数Table 1 Numerical model calculation parameter

3.3 结果分析

3.3.1 围岩应力分析

隧道模拟施工过程中，开挖进尺为1 m，模拟10个开挖循环。通过围岩应力分析，可以准确地反映隧道开挖过程中围岩应力分布状态，可为之后的现场施工提供指导。图3、图4分别为一个开挖循环完成过程及隧道10个开挖循环完成的应力云图。

由分步应力云图(图3)分析可知，上台阶拱部开挖，开挖面积小，围岩应力主要表现为压应力；在中台阶右导洞开挖，左导洞支护完成后，围岩应力进一步释放，核心土上部及两侧导洞局部均出现了拉应力区，纵向分布范围接近2 m，此时最大拉应力达0.012 MPa，同时下台阶导洞预开挖面局部区域也出现拉应力区，纵向扩展范围接近1 m，说明中台阶的开挖对隧道两帮围岩扰动较大。

中台阶右导洞支护完成，下台阶左导洞开挖后，最大拉应力出现在左导洞侧壁及左侧拱脚处，其值为0.035 MPa，较之前增大0.023 MPa，上、中核心土开挖面上部形成的拉应力区进一步延伸，较之上一步范围扩大，纵向扩展为3.1 m；下台阶右导洞开挖支护，左、右拱脚处均出现拉应力，拱腰处开始出现高应力区，压应力达到0.68 MPa，产生应力集中；从核心土开挖到仰拱施作完成，初支封闭，左、右拱脚处的应力由拉转变为压，其值逐渐减小。

由图4分析，三台阶隧道10个开挖循环完成后，拱顶及拱腰所受应力以压应力为主，其值变化不大；但拱底由0.145 MPa的压应力转变为0.041 MPa的拉应力，变化范围为0.186 MPa，变化范围大，可见核心土及仰拱的开挖主要对拱底围岩扰动较大。隧道开挖完成，拱腰处为高应力区，压应力最大值为1.025 MPa。

分析可知，由于上台阶拱部开挖面积小，对拱顶围岩扰动较小；中、下台阶导洞开挖对隧道两帮围岩扰动较大；核心土及仰拱开挖，对拱底围岩应力分布影响较大；在开挖过程中，易造成拱腰部位围岩应力集中，在实际开挖过程中应采取相应措施加以控制。

图3 一个开挖循环完成应力云图Fig.3 Completion stress nephogram of a excavation

图4 隧道10个开挖循环完成图Fig.4 Tunnel excavation completion with 10 cycle

3.3.2 围岩变形分析

通过隧道围岩沉降变形分析，可实时反映本隧道在开挖过程中围岩各关键节点的沉降变形情况，判断隧道结构的安全稳定状况及施工方法在本隧道开挖中是否可行，也可为之后施工提供借鉴及指导。

由图5分析可知，上台阶拱顶部位开挖完成后，最大沉降出现在拱顶，沉降量达到3 mm，拱肩部位的沉降量次之；中台阶左导洞开挖，拱顶支护完成后，拱顶沉降继续发展，此时拱顶最大沉降接近4 mm；从中台阶右导洞开挖，到仰拱开挖完成，拱顶最大沉降大约为4.8 mm，拱顶沉降速率较小；从下台阶核心土开挖到仰拱开挖完成，拱底部位隆起相对之前工序变化较大，隆起值为1.7 mm，可见核心土及仰拱开挖对拱底隆起影响较大；当上台阶完全贯通后，此时拱顶沉降数值突变，达到7 mm，在施工过程中要对上台阶贯通严密监测；中、下台阶相继贯通过程中，拱顶沉降速率平缓，与上台阶贯通后数值无太大变化；最终拱顶沉降量达7.25 mm，拱底隆起量为4.98 mm。

图5 拱顶沉降Fig.5 Vault settlement

分析可知，在开挖过程中拱顶在开挖初期及贯通时期会产生较大瞬时沉降，沉降值达3 mm及4 mm，沉降速率较大；开挖过程中拱顶沉降主要受上台阶开挖影响，中、下台阶导洞开挖次之，核心土开挖影响较小；核心土及仰拱开挖对拱底土层会产生影响。由此可见，该施工工法对围岩变形控制较好。

4 现场沉降监测

通过影响开挖稳定性关键影响因素分析及施工过程模拟，进行现场施工，并对现场沉降进行监测。隧道施工监测能在过程中监测隧道结构变形受力，通过数据修正施工参数和工序；另外，现场动态监测数据能很好地指导隧道设计施工，保障隧道施工中结构的安全[16]。

在这里选取施工中最不利断面DC117进行地表和拱顶沉降分析。该断面埋深为5.8 m，断面面积达100.5 m2，在施工中出现过地下涌水，可直观反映出现场施工的复杂情况和围岩变形。地表布置01～06监测点进行地表沉降监测，拱顶、拱腰、拱脚、仰拱的变形分别由a、b-e、f-h、g点进行检测，监测点布置如图6所示。由于监测点较多，限篇幅有限，在这里只选取有代表性的地表监测点03、04及拱顶监测点a进行分析，其他监测点的围岩变形情况与数值模拟规律类似，且都没有超出施工监测的预警值，在这里不再赘述。

图6 监测点布置图Fig.6 Monitoring point layout

4.1 地表沉降监测与分析

由图7分析可知，隧道上台阶导洞开挖初期，对围岩扰动范围较小，地面沉降变化较稳定；8 d之后中台阶导洞开挖，围岩受扰动范围扩大，沉降速率逐渐增大；15 d之后下台阶导洞开挖，围岩受扰动范围进一步扩大，沉降速率增大；当28～35 d后，地面沉降速率明显放缓，这时围岩应力重新分布完成，且各部分开挖后施做的支护对围岩变形起到控制作用；从35 d后，地表变形速率基本趋于稳定。最终地表最大沉降为15 mm，最大差异沉降为4.5 mm，符合施工要求。

4.2 拱顶沉降监测与分析

由图8分析可知，拱顶最大沉降量接近12 mm。拱顶上台阶导洞在超前支护保护下进行开挖，围岩受扰动范围小，拱顶瞬时沉降量为1.2 mm，相较模拟过程沉降量较小；围岩受中、下台阶导洞开挖的影响，扰动范围增大，8 d之后拱顶沉降速率出现增大趋势；28 d之后拱顶沉降速率放缓，围岩应力重分布完成，各部分开挖后施做的支护对围岩变形起到控制作用，拱顶最终沉降量接近12 mm。对比地表沉降，可见拱顶沉降相对较小，这是由于在隧道施工过程中，地表不仅受到开挖影响，也受到地下水影响，存在地层损失，所以相对来说沉降更大。

图7 地表沉降监测图Fig.7 Ground surface settlement monitoring

图8 拱顶沉降监测图Fig.8 Vault settlement monitoring

经上述数值模拟及现场实测对比分析，可见拱顶实际沉降相较模拟过程要大，主要是因为模拟过程中考虑的因素较为单一，简化了施工过程，并且没有考虑周边环境对施工的影响。

5 结论

通过对回填土区大跨超浅埋地铁隧道开挖稳定性研究，得到如下结论。

(1)回填土大跨超浅埋地铁隧道开挖承压拱难以形成，开挖过程中要进行着重控制。

(2)施工过程中，上台阶导洞开挖对拱顶沉降影响较大，中、下台阶导洞开挖次之，其他部位开挖影响较小，在施工过程中应严密监测三台阶导洞开挖；同时受地下涌水等因素的影响，地表沉降较拱顶沉降大，施工中防排水重点控制。

(3)开挖过程中，中下台阶对两帮围岩扰动较大；受下台阶导洞开挖影响，拱腰部位易产生应力集中，需要着重控制。