傅鹤林，袁磊，邓新武



填土围岩中浅埋暗挖隧道开挖方法研究

傅鹤林，袁磊，邓新武

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

在建工程长株潭城际铁路穿越金家大院隧道浅埋暗挖段围岩条件极差，多为变形大、稳定性差的杂填土和粉黏土，且地面条件复杂。据此，对该隧道段采用现场监控和有限元计算结合的方法，分析不同施工方法开挖对地表沉降、土体扰动、拱顶下沉和拱底隆起的影响，采用TOPSIS评价方法对各开挖方法进行综合评价，并对CRD法中超前加固效果进行量化分析，在现场进行测量对模拟结果进行了验证吻合。研究结果表明，CRD法为最适合于填土围岩中浅埋暗挖隧道的开挖方法，CRD法亦需进行有效的超前加固使土体强度提升85%以上才能保证开挖稳定。

隧道工程；开挖方法；填土；浅埋暗挖；地表沉降

长株潭城际铁路西延线Ⅱ标隧道穿越金家大院小区时，隧道最小埋深仅7.3 m，且隧道围岩为填土。原设计采用明挖开挖，由于地下有煤气管、雨污水管、电力电缆和通讯光缆等设施，迁改十分困难。加之地表有高层建筑及大型停车场，后被迫改为暗挖，属于填土围岩中的浅埋暗挖。地下水丰富的填土围岩中浅埋暗挖，极易引起隧道拱顶下沉，进而引发地表开裂，危及各地下管线及地表建筑的安全，引起严重的灾害事故。如何在富水的填土围岩中安全稳定地暗挖隧道成为工程中的一项特殊难题。目前国内针对此类特殊工程如何选择施工方法、加固措施大多按经验施工，与此相关的研究较少，可供借鉴的经验不多。孙飞等[1]研究人工素填土下浅埋暗挖横通道CRD法施工的地表沉降，王喆[2]通过对龙洞堡机场隧道洞内初期支护断面监控量测，分析得出该隧道的沉降原因，易雄川[3]以重庆地铁环线涂山车站施工通道为案例研究浅埋偏压杂填土地段进洞施工技术。现有研究多以监控量测和进洞技术为主，对于在填土围岩浅埋暗挖隧道时选择何种开挖方式、何种超前加固方式最优是本文的研究内容。基于此，以长株潭城际铁路穿越金家大院段隧道为工程依托，采用有限元分析结合现场实测的方法对填土围岩中浅埋隧道不同开挖方式、超前加固措施研究，旨在为本工程提供理论指导，并对类似工程有借鉴作用。

1 工程地质

长株潭城际铁路穿越金家大院段隧道位于长沙市岳麓区西二环外。其中尖山段采用隧道穿越，隧道里程范围内依次穿过道路、建筑区、山体，其间地势起伏较大，地表高程68.9~76.1 m。穿越金家大院时隧道位于地面的小区主干道之下，埋深极浅，最小仅为7.3 m，且隧道断面的85%处于填土之中，水平方向距离高层建筑仅5 m，所以在进行暗挖隧道时必须进行严格的地表沉降控制来保障隧道和建筑的安全稳定。隧道地质剖面见图1。

图1 工程地质剖面图

2 暗挖方法选择

2.1 选择的依据和原则

由于地下管线复杂，且地表有高层建筑及大型停车场，且地表建筑与隧道轴线最近距离仅5 m，过大的地表沉降、土体扰动极容易引发严重的灾害事故，故选择隧道开挖方法的原则以减小土体扰动、控制地表沉降为主要因素，以拱顶沉降、拱底隆起等隧道稳定指标为参考指标。

2.2 模型概况

根据工程概况及相关地质资料建立如图2 所示的5个三维模型，模型分别模拟在填土围岩中使用全断面法、两台阶法、CD法、CRD法及双侧壁导坑法等工况[4−5]。建模时确定开挖影响范围为3~5倍洞泾[6−7]，模型长75 m，深35 m，模拟进尺为30 m。四周采用水平约束，下部采用竖向约束，上部为自由边界无约束；围岩采用莫尔−库伦本构模型，隧道衬砌采用弹性壳模型[8−10]。模拟开挖速度为5 m/d。计算过程中围岩及衬砌力学参数见表1。

图2 各方法计算模型

表1 计算过程中围岩及衬砌力学参数

2.3 地表沉降规律分析

经计算分析得地表沉降曲线如图3所示。

图3 各开挖方法最终地表竖向位移对比

从图3可得，全断面法最大沉降为95.5 mm；台阶法为161 mm；CD法为89.8 mm；CRD法为50 mm；双侧壁导坑法为37.8 mm，所有方法最终沉降均超过规范限定值30 mm。沉降横向影响范围约为20 m远超地表最近建筑(5 m)。台阶法由于单次开挖洞泾大、对土体扰动频繁、初支闭合时间较长导致最终地表的沉降比全断面法大。无论采用何种开挖方法，合理的超前措施来控制最终沉降值和沉降范围都是必要的。

2.4 土体扰动规律分析

各开挖方法最终地表沉降曲线(纵向)如图4 所示。

由图4可得，各方法在土体未开挖时，在隧道掌子面前方10 m内均会出现沉降，离掌子面越远沉降越小。数值上：全断面法＞台阶法＞CD法＞双侧壁导坑法＞CRD法。CD法、CRD法及双侧壁导坑法在掌子面上方地表沉降接近限定值，但也超过规范限定值30 mm。为了确保施工和今后运营安全，采用暗挖的方法，必须对填土围岩进行加固。

图4 各开挖方法最终地表沉降曲线(纵向)

2.5 拱顶沉降规律分析

各开挖方法拱顶沉降随时间变化曲线如图5 所示。

图5 各开挖方法拱顶沉降随时间变化曲线

由图5得，各开挖方法在开挖土体时，拱顶沉降增大迅速，而开挖完后逐渐减缓。数值上看最终沉降值：台阶法＞全断面法＞CD法＞CRD法＞双侧壁导坑法。其中CD法、CRD法和双侧壁导坑法在拆撑时拱顶沉降会显著增加，中隔墙对控制拱顶沉降效果显著。在拱顶沉降控制方面，CRD法和双侧壁导坑法效果较好，但也超过拱顶沉降限定值30 mm，故隧道拱顶土体亦需要加固。

2.6 拱底隆起规律分析

各开挖方法拱底隆起随时间变化曲线如图6 所示。

由图6可得，台阶法、全断面法在土体开挖时拱底隆起增长较快，迅速接近最终值。CD法和CRD法在开挖土体时拱底隆起增长缓慢，而在拆撑时陡增。从数值上看：全断面法＞台阶法＞双侧壁导坑法＞CD法＞CRD法。双侧壁导坑法对控制拱底隆起效果比CD法、CRD法差。

图6 各开挖方法拱底隆起随时间变化曲线

2.7 基于TOPSIS法的施工方案比选

以TOPSIS评价方法[11−12]对各暗挖方法的稳定性进行综合量化评价，对比分析采用的稳定性指标包括地表沉降、土体扰动、拱顶沉降和拱底隆起4个子指标。5 种开挖方法各指标数据如表 2 所示。

表2 各方法稳定性指标数据

构造属性矩阵

同趋归一化处理：

由于地面环境复杂，建筑物离隧道距离近，建筑对地表沉降及扰动敏感，所以本隧道中开挖中以控制地表沉降、减小土体扰动为首要原则，子指标地表沉降、土体扰动的权重均为0.3，以拱顶沉降、拱底隆起等隧道稳定指标为次要依据，子指标拱顶沉降、拱底隆起权重均为0.2。

则加权后为：

则理想方案为：

负理想方案为：

根据式(1)~(3)

计算相对接近度为：1=0.448，2=0.007，3=0.625，4=0.922，5=0.921。

各开挖方法排序为：CRD法＞侧壁导坑法＞CD法＞全断面法＞两台阶法。最终隧道确定开挖方法为CRD法。

3 超前加固措施效果分析

由上节分析得知，采用各开挖方法开挖时，对土体进行超前加固来控制沉降、隆起、扰动均是必要的。本节对CRD中的超前加固措施(隧道环向注浆、径向注浆、超前小导管)进行模拟分析[13−15]。隧道施工采取加固参数如下：超前小导管采用42无缝钢管，单根长度4.5 m，外插角45°，每循环超前注浆；注浆采用1:1水泥浆液，注浆压力0.5~1.0 MPa。小导管通过植入桁架模拟，而注浆加固能使围岩整体性得到提高，主要表现为变形模量提高，密度提高、泊松比下降[16−19]，本文以控制不同的土体变形模量进行模拟分析。

图7 加固后不同土体E对应位移

从图7~8中可以得出，填土围岩中隧道开挖引起的沉降、隆起随超前加固效果增加(土体增大)而减小。规范限定地表沉降、拱顶沉降、拱底隆起均需要小于30 mm，计算得到：采用CRD法时需要土体≥18.3 MPa(提升83%)才可满足位移限定值要求。加固后隧道开挖各位置位移变化趋势与原状土基本一致，在开挖土体时，拱顶沉降、地表沉降比原状土降低42%以上，拱底隆起减小21%，进行超前小导管、环向注浆、径向注浆对沉降控制有显著效果，而对隆起控制效果稍差。在进行土体加固后，拱顶沉降和地表沉降在开挖土体时均较小而在拆撑时会突然增大，在施工时需重点注意，必要时采取补充注浆、补强初支、延迟拆撑时间等稳定措施。

图8 超前加固效果对比曲线(加固后E=18.3 MPa)

4 现场实测对比验证

现场施工采用CRD法，超前措施为超前小导管、环向注浆、径向注浆，洞口段加用管棚。地面监测为径向每10 m一个断面，每个断面由隧道中线为中心，向两侧间隔4~5 m各布设4个测点。单测量点周期为10 d，测量频率1 d/次。

现场对加固后土体进行钻芯取样，经过土体的压缩实验、剪切实验，给出表3参考值。

表3 土体加固后物理参数值表

经模拟计算得地面沉降曲线和拱顶沉降变化曲线，与现场多个点位实测值对比：

由图9可知，模拟值与实测值变化趋势一致，隧道轴线上的地表沉降最大值模拟与实测基本吻合，但向隧道两侧模拟值比实测值偏小，实测隧道开挖横向影响范围比模拟大。

图9 地表沉降模拟值与实测值对比

由图10可知，拱顶沉降模拟值与实测值变形趋势基本一致：开挖土体产生沉降较小，增长较缓，而拆除临时支撑会产生较大的拱顶沉降。从数值上看，模拟值均比实测值要大，但此差值随着时间逐渐减小。总体来说，拱顶沉降方面，模拟值与实测值变化趋势一致，模拟值更偏于安全。

图10 拱顶沉降模拟值与实测值对比

5 结论

1) 经地表沉降、土体扰动、拱顶沉降和拱底隆起4个方面综合对比，CRD法为最适合于填土围岩中浅埋暗挖隧道的开挖方法。

2) 填土围岩中采用CRD法在开挖土体及拆撑阶段沉降增长迅速，采用严格的超前加固使土体强度提升83%以上，能有效减小40%沉降和扰动。

3) 在填土围岩隧道开挖中，有限元模拟与实测情况基本一致，模拟地表沉降最大值与实测值吻合但沉降范围偏小，模拟拱底隆起值偏大。

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(编辑 阳丽霞)

Study on excavation methods of shallow buried tunnel in filled soil

FU Helin, YUAN Lei, DENG Xinwu

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In the construction of Changsha Zhuzhou Xiangtan intercity railway, the condition of surrounding rock in the shallow and concealed excavation section of the newly built section of the tunnel is very poor, which is mostly miscellaneous filled soil and silty clay with large deformation and poor stability, and the ground conditions are complicated. Accordingly, by combining the method of field monitoring and numerical simulation of the tunnel section, the influence of different construction methods of excavation on surface settlement, soil disturbance, vault and arch bottom uplift is analyzed. The method of TOPSIS is used to evaluate each excavation method, and the CRD method in reinforcement effect is analyzed quantitatively, field measurement experiments are carried out to validate the simulation results. The results show that CRD method is the most suitable method for excavation of shallow buried tunnel in filled surrounding rock. In order to ensure the stability of excavation, all excavation methods need effective pre-reinforcement, in which the soil strength of CRD method should be increased by 85%.

tunnel engineering; excavation method; filling soil; shallow buried excavation; surface subsidence

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.10.018

U45

A

1672 − 7029(2018)10 − 2583 − 07

2017−08−17

国家自然科学基金资助项目(51578550)；国家自然科学重点基金资助项目(51538009)

傅鹤林(1965−)，男，江西高安人，教授，博士，从事隧道工程、岩土工程研究；E−mail：fu.h.l@csu.edu.cn