劉寧，陳凱，劉向遠(yuǎn)，付守洪

地鐵車站隧道雙洞中巖柱開挖技術(shù)研究

劉寧1，陳凱1，劉向遠(yuǎn)2，付守洪2

(1. 貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司貴陽公司，貴州 貴陽 550025)

貴陽市交通軌道2號線觀水路站位于貴陽老城區(qū)，周邊環(huán)境復(fù)雜，有巖溶地質(zhì)發(fā)育，施工難題多。而針對超大斷面地鐵車站淺埋暗挖隧道的施工，目前尚無有關(guān)的施工規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可循。為了選擇適用于本工程的施工工法，提出了淺埋大斷面隧道雙洞中巖柱法施工方案。通過室內(nèi)模型試驗(yàn)與隧道結(jié)構(gòu)精細(xì)化三維有限元模型對隧道開挖過程進(jìn)行動態(tài)模擬，結(jié)合試驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)、數(shù)值計算結(jié)果與工程現(xiàn)場位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析雙洞中巖柱法施工引起的隧道圍巖力學(xué)特征變化規(guī)律。結(jié)果表明：中巖柱對隧道穩(wěn)定起著重要作用，在開挖兩側(cè)導(dǎo)洞時，隧道圍巖應(yīng)力從0～1 kPa緩慢增加，隨著中巖柱的開挖，豎向應(yīng)力從1～4.7 kPa發(fā)生突變。圍巖位移的數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合。

地鐵車站；淺埋隧道；中巖柱；模型試驗(yàn)；數(shù)值模擬

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市交通擁堵問題日益嚴(yán)重，地鐵修建逐漸成為我國解決城市交通擁堵問題的一個重要舉措。我國西南地區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜、工程周邊環(huán)境復(fù)雜，城市地鐵車站淺埋隧道施工難題大、風(fēng)險高。隧道結(jié)構(gòu)施工方案需要從施工安全、工期和成本控制等方面進(jìn)行優(yōu)選。施工方案和施工工序的制定，需要綜合考慮工程地質(zhì)條件、隧道結(jié)構(gòu)幾何斷面及其受力特性、現(xiàn)場施工條件和技術(shù)水平等因素，優(yōu)化施工工序、支護(hù)時機(jī)、襯砌距離和開挖深度，確保施工過程中開挖面穩(wěn)定性和地表沉降控制滿足要求。目前，大量學(xué)者[1?2]采用數(shù)值計算的方法對隧道施工技術(shù)進(jìn)行了研究。李克先等[3]發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法及拱蓋法在硬巖環(huán)境中仍存在優(yōu)化空間，研究出適用于硬巖環(huán)境下的工法，研究結(jié)果表明化后的拱蓋法能夠在青島硬巖地層廣泛應(yīng)用。朱衛(wèi)東[4]通過對開挖方向、復(fù)雜圍巖條件及斷層破碎帶的考慮，開展三維施工過程模擬，獲得了三臺階法開挖后的襯砌及圍巖受力及變形特征。侯福金等[5]采用數(shù)值分析、現(xiàn)場實(shí)測方法對開挖工法進(jìn)行適用性比選研究。發(fā)現(xiàn)大嶺隧道后行洞施工對先行洞產(chǎn)生影響，不同工法的影響程度排序：半步CD法＞CD法＞雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。也有大量學(xué)者采用模型試驗(yàn)對隧道施工技術(shù)做作了一系列研究。在相似材料配比[6?8]和試驗(yàn)方法[9?12]上都有重要成果，研究結(jié)果可有效揭示隧道施工過程中圍巖變形及其應(yīng)力變化規(guī)律。結(jié)合貴陽地區(qū)地質(zhì)條件及地鐵2號線觀水路車站大斷面隧道工程特點(diǎn)，本文采用模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法，對提出的雙洞中巖柱法進(jìn)行施工力學(xué)特征研究，為隧道施工安全提供技術(shù)支撐。

1 淺埋隧道荷載及圍巖穩(wěn)定性分析

1.1 碎裂巖土體淺埋隧道荷載的解析解

對于淺埋單拱隧道，開挖后洞室頂部圍巖不能形成壓力拱。洞室?guī)r柱側(cè)面的法向力可按土力學(xué)中擋土墻主動土壓力計算，如圖1所示。由此可得圍巖對頂部襯砌單位面積上的壓力為：

式中：為隧道圍巖的內(nèi)摩擦角。

1.2 基于Terzaqhi 理論的淺埋隧道荷載的解析解

Terzaqhi 將隧道圍巖簡化為具有一定內(nèi)聚力的松散體，隧道開挖施工過程中頂板圍巖逐漸下沉，從而導(dǎo)致應(yīng)力傳遞到襯砌上，形成隧道荷載，如圖2所示。Terzaqhi理論通常針對側(cè)壁圍巖穩(wěn)定和不穩(wěn)定2種情況分別計算隧道荷載[13?15]：

1) 當(dāng)側(cè)壁圍巖不穩(wěn)定時，開挖后隧道側(cè)幫將出現(xiàn)與側(cè)壁成(45°?f/2)的傾斜滑動面，由此引起的隧道襯砌的豎向荷載為：

2) 當(dāng)側(cè)壁圍巖穩(wěn)定時，下沉僅限于頂板上部巖體，則作用于隧道頂部襯砌上的荷載為：

(a) 側(cè)壁圍巖不穩(wěn)定工況；(b) 側(cè)壁圍巖穩(wěn)定工況

圖2 基于Terzaqhi理論計算隧道荷載

Fig. 2 Calculation model of tunnel load by Terzaqhi

上述分析表明，作用于淺埋隧道襯砌上的豎向荷載大小與洞室頂板圍巖下沉的跨度大致成線性關(guān)系。在隧道施工過程中預(yù)留中巖柱能夠大幅度減小洞室頂板圍巖下沉的跨度，對于淺埋隧道開挖施工過程中圍巖穩(wěn)定和地表沉降控制具有重要的意義。

2 工程背景

以貴陽市地鐵2號線觀水路車站為工程背景，車站平面圖如圖3所示，車站隧道結(jié)構(gòu)寬22.16 m，高19.21 m，長180 m，最大開挖面積達(dá)370 m2，屬超大斷面隧道，車站隧道拱頂埋深15～20 m，覆土厚5～16 m，拱頂巖層厚度4～14 m不等，地層從上到下依次為雜填土、可塑狀紅黏土、強(qiáng)風(fēng)化白云巖和中風(fēng)化白云巖，洞身絕大部分位于中風(fēng)化白云巖中，局部拱頂位于強(qiáng)風(fēng)化白云巖中，形成了上軟下硬的地質(zhì)構(gòu)造。車站地質(zhì)構(gòu)造圖如圖4所示。

圖3 車站平面圖

圖4 地質(zhì)構(gòu)造圖

3 雙洞中巖柱法的概念

實(shí)際工程中淺埋隧道的常用暗挖施工方法主要包括全斷面法、臺階法、中隔墻CD法、交叉中隔墻CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、洞樁法(PBA法)、中洞法及側(cè)洞法等。其中：全斷面法施工操作比較簡單，工序少，主要適用于較好圍巖條件；臺階法是最基本、應(yīng)用最廣泛的施工方法，也是實(shí)現(xiàn)其他施工方法的重要手段；CD工法主要適用于地層較差和不穩(wěn)定巖體，且地面沉降要求嚴(yán)格的地下工程施工。CRD工法是在CD工法的基礎(chǔ)上加設(shè)臨時仰拱，將大斷面施工化成小斷面施工，各個局部封閉成環(huán)的時間短，控制早期沉降好。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是城市地鐵大斷面隧道施工常用的工法，其實(shí)質(zhì)是將大跨度分成3個小跨度進(jìn)行作業(yè)，在較差圍巖中控制變形能力非常好，主要適用于地層較差、斷面很大、三線或多線大斷面鐵路隧道及地下工程。

圖5 隧道斷面分步開挖示意圖

考慮到本工程中地鐵車站周邊環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)條件多樣，淺埋隧道斷面大，圍巖情況差，常規(guī)的淺埋暗挖法不適用于本工程。綜合考慮上述因素，本文在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的基礎(chǔ)上，提出了雙洞中巖柱法的概念，其基本理念是在兩側(cè)雙導(dǎo)洞施工過程中保留中間核心巖土體，形成起支撐作用的中巖柱，待左右兩側(cè)的開挖面挖通后才將中巖柱拆除進(jìn)行二次襯砌，隧道開挖過程中核心支撐中巖柱沿縱向始終保留一定的長度。兩側(cè)導(dǎo)洞開挖進(jìn)尺控制在5 m左右，并且導(dǎo)洞之間滯后的距離也要控制在5 m左右，直至最后兩側(cè)導(dǎo)洞貫通。與傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相比，雙洞中巖柱法利用施工過程中保留了核心中巖柱，開挖進(jìn)程中隧道開挖面的穩(wěn)定性及地表沉降變形控制得到了明顯的提升。

雙洞中巖柱法的隧道橫斷面分步施工如圖5所示，三維施工如圖6所示，其施工步驟如圖7所示。

圖6 三維施工工序

圖7 施工流程圖

4 模型試驗(yàn)

4.1 模型材料的選取與配制

根據(jù)工程實(shí)際的地質(zhì)條件，隧道上覆雜填土、可塑性紅黏土、強(qiáng)風(fēng)化白云巖以及洞身大部分處于中風(fēng)化白云巖，Ⅴ級圍巖。模型試驗(yàn)對其進(jìn)行了簡化，原型材料主要考慮中風(fēng)化白云巖的作用，用一種相似材料代替。利用相似原理[16]，考慮模型幾何相似比L=70，重度相似比r=1，則得到模型材料的物理力學(xué)參數(shù)，原型材料的物理參數(shù)通過工程現(xiàn)場測試獲取，如表1所示。

表1 原型和模型材料的物理力學(xué)參數(shù)

本文所用的原型相似材料選用重晶石粉、石英砂、凡士林。其中重晶石粉用于調(diào)節(jié)材料重度，石英砂作為骨料，凡士林作為膠結(jié)劑利于材料的重復(fù)利用，調(diào)節(jié)相似材料的內(nèi)摩擦角。通過開展配比試驗(yàn)，最終得到材料的配比為重晶石粉：石英砂:凡士林=16:5.5:1。

4.2 模型制作流程

本試驗(yàn)采用槽鋼、鋼板和鋼化玻璃專門定制了凈長寬高分別為1.8 m×0.4 m×1.6 m的平面應(yīng)變模型箱。其中為了便于觀察和檢測模型箱內(nèi)圍巖的變化情況，模型箱前后安置長高厚分別為1.7 m×1.6 m×0.019 m的鋼化玻璃，并且在合適位置預(yù)留隧道開挖孔，模型箱如圖8所示。

圖8 模型箱

隧道試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱骰玖鞒倘缦拢?) 根據(jù)前期獲取的材料配比，稱取各材料的重量；2) 將稱好的材料加入液態(tài)凡士林拌合均勻，用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌；3) 將拌好的材料倒入模型箱內(nèi)，由下往上分層攤鋪材料；4) 每鋪一層，用木質(zhì)加壓板均勻壓實(shí)材料；5) 按設(shè)計位置在洞周圍分層設(shè)置量測元件；反復(fù)操作，直至模型制作完成。

4.3 模型開挖

試驗(yàn)之前，室內(nèi)要保持干燥，避免材料受潮，室內(nèi)溫度不宜太高，也不宜太低，控制在20 ℃左右。待相似材料鋪裝完成后，靜置24 h。模型開挖按照施工順序進(jìn)行，每次進(jìn)尺開挖5 cm，每次開挖時間要控制在5 min以內(nèi)，待兩側(cè)導(dǎo)洞挖通后，再每次進(jìn)尺5 cm開挖預(yù)留中巖柱。因模型試驗(yàn)制作難度大，耗時較長，試驗(yàn)次數(shù)以試驗(yàn)成功時的次數(shù)為準(zhǔn)。為了簡化開挖過程，不作初支與支撐，模型開挖如圖9所示。開挖過程中用預(yù)埋的微型土壓力盒實(shí)時監(jiān)測隧道拱頂與拱腰的應(yīng)力變化，應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)布置如圖10所示，土壓力盒之間間隔5 cm。

(a) 隧道洞口；(b)開挖兩側(cè)導(dǎo)洞；

單位：cm

5 數(shù)值分析模型構(gòu)建

5.1 計算參數(shù)

巖土體的分布厚度根據(jù)隧道地質(zhì)縱斷面圖取值，其中雜填土3 m，可塑狀紅黏土7 m，強(qiáng)風(fēng)化白云巖3 m，其余為中風(fēng)化白云巖。巖土體物理參數(shù)通過工程現(xiàn)場測試獲取，其余材料參數(shù)依據(jù)工程實(shí)際設(shè)計獲取，具體隧道巖土體、襯砌結(jié)構(gòu)及臨時支架的物理參數(shù)取值如表2所示。

表2 材料的物理力學(xué)參數(shù)

5.2 精細(xì)化有限元模型

依據(jù)地鐵車站的實(shí)際斷面面積、車站長度以及地質(zhì)條件建立數(shù)值模型，模型中巖土體及隧道圍巖采用滿足摩爾—庫倫屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型，初支和二次襯砌均采用彈性本構(gòu)模型。采用ABAQUS有限元軟件建立的車站隧道結(jié)構(gòu)模型如圖11所示。模型全長180 m，寬140 m，高度為100 m，保證了隧道模型的邊界條件，地表按地質(zhì)勘查的實(shí)際原始覆土厚度建模。隧道圍巖及覆蓋土層、初支及二襯混凝土均采用8節(jié)點(diǎn)三維六面體單元來模擬。開挖過程與現(xiàn)場實(shí)際開挖方案一致，兩側(cè)的導(dǎo)洞向前推進(jìn)至洞徑的5倍左右，再拆除核心中 巖柱。

圖11 隧道模型

6 結(jié)果分析

由于模型材料是用粗骨料制成，開挖過程中的位移監(jiān)測用位移計不易被量測，故利用現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算的結(jié)果進(jìn)行位移對比分析。對于應(yīng)力的分析則采用模型試驗(yàn)與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行 對比。

6.1 模型試驗(yàn)圍巖應(yīng)力分析

根據(jù)模型開挖試驗(yàn)，在左右拱腰處布置了6個水平應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，即H1~H6，在拱頂上布置了3個豎向應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，即S1~S3。圖12是隨著隧道的開挖，各個測點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線，可以看出，應(yīng)力變化可分為3個階段。第1階段，在開挖步6之前，即兩側(cè)導(dǎo)洞進(jìn)尺15 cm時，各個應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力都比較小，其值在0.3 kPa左右，且無較大的變化。說明此階段圍巖穩(wěn)定性較好，基本能實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)。第2階段，當(dāng)開挖至18步時，即兩側(cè)導(dǎo)洞已打通，中巖柱進(jìn)尺10 cm時，測點(diǎn)應(yīng)力逐漸增大，且豎向應(yīng)力要比水平應(yīng)力大，其中測點(diǎn)S1的應(yīng)力值最大，達(dá)到1.0 kPa左右。說明此階段隨著隧道的開挖，圍巖應(yīng)力發(fā)生了重分布。第3階段，當(dāng)開挖步在18步后，隨著中巖柱的開挖距離增加，隧道逐漸失去中巖柱的支撐作用，形成全斷面的臨空面，拱頂上的3個豎向應(yīng)力測點(diǎn)的應(yīng)力值發(fā)生突變，而水平測點(diǎn)的應(yīng)力值沒有發(fā)生較大的改變，幾乎呈一條水平線。說明中巖柱對隧道起著重要的承載作用，當(dāng)開挖中巖柱后，隧道圍巖應(yīng)力會逐漸增大，而對拱腰兩側(cè)的水平應(yīng)力的影響較小。

圖12 應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力值

6.2 數(shù)值計算圍巖位移分析

圖13是觀水路站施工現(xiàn)場給出的監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中地表監(jiān)測點(diǎn)的記錄時間大約在580 d左右，拱頂與拱腰的位移監(jiān)測時間在300 d左右。可以看出，隨著隧道的開挖，地表、拱頂與拱腰的位移不是成線性變化。這是因?yàn)檐囌舅淼篱_挖的過程中，有地面道路的車輛荷載、巖溶地質(zhì)與周邊鄰近立井橫通道開挖的影響?，F(xiàn)將隧道穩(wěn)定后的位移值與數(shù)值計算所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

圖13 地表監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)控數(shù)據(jù)

如圖14是數(shù)值計算的地表豎向位移云圖，圖15是圍巖水平位移云圖，將其量化分析，圖16為監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬計算數(shù)據(jù)位移的對比圖，圖中給出了地表、拱頂和拱腰位移監(jiān)測與模擬數(shù)據(jù)所占的比值和具體位移值，可以看出拱頂沉降數(shù)據(jù)較為接近，都為4 mm附近；拱腰監(jiān)測值所占比例較其他部位監(jiān)測值更大，達(dá)到了24.62%，表明了其位移變化受隧道開挖影響更加敏感，其次為地表，達(dá)到了23.09%；從監(jiān)測與模擬數(shù)據(jù)對比看，地表與拱頂處規(guī)律相似，但拱腰處的對比數(shù)據(jù)差異較大，這與模型材料有關(guān)，模擬計算時將土體考慮為均勻同向連續(xù)介質(zhì)，且數(shù)值模擬隧道開挖過程忽略了橫通道的擾動，只取相似工況的對象點(diǎn)作為對比數(shù)據(jù)，故模擬值偏小。但其所呈現(xiàn)的規(guī)律一致，符合實(shí)際工況，說明模擬數(shù)據(jù)具有一定說服性。

圖14 豎向位移云圖

圖15 水平位移云圖

圖16 監(jiān)控數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比

7 結(jié)論

1)針對上軟下硬淺埋暗挖超大斷面隧道對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行改進(jìn)，提出了雙洞中巖柱法，該法采用先開挖兩側(cè)導(dǎo)洞，后開挖預(yù)留中巖柱的步驟，模型開挖過程中沒有出現(xiàn)隧道坍塌與較大的沉降現(xiàn)象，說明該工法是可行的。

2) 隨著中巖柱的開挖，隧道圍巖豎向應(yīng)力并沒有立刻發(fā)生突變，而是在進(jìn)尺15 cm左右時發(fā)生。水平應(yīng)力隨著開挖不會發(fā)生突變。由此可見，隧道在中巖柱開挖一段距離內(nèi)能保持自穩(wěn)，當(dāng)超出這段距離后，會有失穩(wěn)的風(fēng)險，建議在開挖中巖柱時做好隧道加固措施。

3) 利用現(xiàn)場位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算的對比分析，兩者具有很好的吻合性，得出數(shù)值計算具有一定的準(zhǔn)確性。

4) 本文的模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬很好的模擬了雙洞中巖柱法，揭示了在上軟下硬淺埋暗挖下超大斷面隧道的應(yīng)力、位移變化規(guī)律，其研究成果能為今后類似工程提供借鑒與參考。

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Study on excavation technology of rock column in double tunnel of subway station

LIU Ning1, CHEN Kai1, LIU Xiangyuan2, FU Shouhong2

(1. School of Civil Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China;2. Guiyang Branch of China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Guiyang 550025, China)

Guiyang traffic track two-line Guan Shuilu station is located in the old city of Guiyang. As the surrounding environment is complex and there is karst geological development, there are many difficult construction problem. In view of the construction of shallow-buried underground tunnel in the super-large-section subway station, there are no relevant construction specifications and technical standards. In order to select the construction method suitable for this project, the construction scheme of the Double-hole Rock-column Method in the shallow-buried large-section tunnel was proposed. Using the dynamic simulation of the tunnel excavation process, the indoor model test and the fine three-dimensional finite element model of the tunnel structure, the tunnel excavation process was simulated by combining the experimental monitoring data. The numerical calculation results, the engineering site displacement monitoring data, and the tunnel caused by the construction of the rock column method in the double-hole was analyzed. The change law of mechanical characteristics of surrounding rock was studied. The results show that the medium rock pillar plays an important role in the stability of the tunnel. The stress of the surrounding rock of the tunnel increases slowly from 0~1 kPa when the tunnel isexcavated on both sides of the tunnel. With the excavation of the middle rock pillar, the vertical stress changes from 1~4.7 kPa. The numerical results of surrounding rock displacement are in good agreement with the field monitoring data.

subway station; shallow tunnel; middle rock pillar; model test; numerical simulation

10.19713/j.cnki.43?1423/u. T20190980

U455

A

1672 ? 7029(2020)09 ? 2320 ? 08

2019?11?06

；黔科合基礎(chǔ)[2020]Y250；中國博士后科學(xué)基金面上資助項目(2017M622929)；廣西大學(xué)開放課題(2016ZDK012)；黔科合支撐[2020] 2Y036；貴大人基合字(2017)62號

劉寧(1984?)，男，山東濟(jì)寧人，副教授，博士，從事隧道工程研究；E?mail：weishiliufeng@163.com

(編輯 陽麗霞)