近年来, 随着我国城市交通系统的不断发展, 城市隧道工程施工环境日趋复杂^[1,2], 大断面隧道日益增多^[3,4], 与邻近结构的间距日益减小^[5,6]。黄土地层具有遇水承载力低、施工变形大等特点, 因此在黄土隧道开挖过程中采用不同的施工方法, 会对施工中的力学特征造成巨大影响^[6,7,8]。

西安地铁4号线雁南四路站—大唐芙蓉园站存车区间暗挖隧道为非对称断面的大跨小净距黄土隧道, 其中大断面隧道跨度>12m。同时, 隧道穿越西安市主干道, 周围管线和既有建筑物十分密集, 不合理的施工方式将导致重大的经济损失和人员伤亡。因此, 在施工过程中应严格控制隧道开挖对周围环境的影响^[9]。已有研究成果^[6,7,8]表明, 黄土地层大断面隧道的常用开挖方法包括:三台阶+临时仰拱、CD法、双侧壁导坑法。通过数值模型计算, 对3种开挖方式下的隧道周边土体位移和支护结构受力情况进行分析, 得到适用于非对称断面大跨小净距黄土隧道的快速施工方法。

在建西安市地铁4号线工程雁南四路站 (雁四站) —大唐芙蓉园站 (芙蓉站) 区间工程, 区间隧道全长为1 247.50m, 隧道拱顶至地表埋深约为23.00m。雁四站—芙蓉站区间隧道在大唐芙蓉园的南端为单存车线, 其隧道的断面为马蹄形, 断面尺寸为12.13m×10.03m。区间隧道在左右线存车线段隧道间的中隔墙厚4.10m, 是典型的黄土小净距隧道。

拟建隧道周边地表环境平坦, 属5~6级台地, 隧址区域地质特征如表1所示。隧址区域附近无可见的地表水体, 工程影响范围内的地下水主要为第四系孔隙潜水。根据西安的水位观测资料, 隧址区域低水位期是7—9月, 高水位期是12月至次年3月, 水位的年变幅2.0m左右。拟建隧址区域的潜水主要分布于上更新统的残积古土壤、中更新世的风积黄土及残积的古土壤中;其中, 粉质黏土层为最主要的储水层, 该地层具有透水性差和赋水性弱的特点。隧址区域地下水主要补给方式为地下水的水平补给、大气垂直补给2种。

西安市地铁4号线雁四站—芙蓉站暗挖隧道的存车线断面如图1所示。区间隧道断面为复合式衬砌结构, 初期支护为钢格栅喷射混凝土, 二次衬砌采用钢筋混凝土模注衬砌。施工中, 为确保隧道掌子面施工安全, 超前支护采用小导管+大管棚联合支护;其中, 大管棚采用108×5无缝钢管, 在隧道拱部180°范围内布设, 其环向间距为0.5m, 支护长246.0m, 大管棚一次施作成型;超前小导管支护中, 小导管长3.0m, 采用42×3.5热轧钢管, 环向间距30.0cm, 外插角5.0°~10.0°;管棚注浆采用1∶1水泥-玻璃浆液。隧道初期支护采用35cm厚C25早强喷射混凝土;隧道二次衬砌采用65.0cm厚C40模注钢筋混凝土。

以在建西安地铁4号线工程为背景, 选取雁四站—芙蓉站存车线区段中距芙蓉站100m处的断面进行研究, 采用Midas/GTS有限元软件建立二维平面有限元模型, 分别对上述提出的3种施工方法进行开挖模拟, 得出隧道周围土体以及支护结构在不同开挖工况下的受力情况和变形规律。本模型的岩土体本构模型选用莫尔-库仑模型, 采用弹性梁单元模拟支护结构和大断面的临时支撑, 选用弹性杆单元模拟锚杆。该模型考虑了先行隧道与后行隧道的相互作用, 根据工程实际建立了2个平行的洞室, 假定小断面隧道采用上下台阶法进行开挖。其计算模型的荷载假定只考虑结构自重, 通过静载进行分析, 在计算模拟时假定地表和各土层均质及呈层状分布, 具体材料参数选取如表2所示。假定在模型的x, y方向固定, 且有限元模型在x, y方向上的长度分别为80, 62.1m。

采用有限元模型分别对三台阶+临时仰拱法、CD法和双侧壁导坑法3种施工方法进行模拟分析。

1) 三台阶+临时仰拱法首先依次开挖大断面隧道上、中、下台阶和仰拱部分土体, 各台阶开挖完成后及时施作初期支护、锚杆和临时仰拱。在大断面隧道的支护结构闭合后, 依次开挖小断面隧道的上、下台阶土体, 并在各台阶开挖完成后施作初期支护体系。

2) CD法首先依次开挖大断面隧道左侧上部土体、左侧下部土体、右侧上部土体、右侧下部土体, 并在每个开挖阶段完成后及时施作初期支护。在大断面隧道的支护结构闭合后, 依次开挖小断面隧道的上、下台阶土体, 并在各台阶开挖完成后施作初期支护体系。

3) 双侧壁导坑法首先依次开挖大断面隧道上部外侧导坑土体、下部外侧导坑土体、上部中间导坑土体和下部中间导坑土体, 并在每个开挖阶段完成后及时施作初期支护。在大断面隧道的支护结构闭合后, 依次开挖小断面隧道的上、下台阶土体, 并在各台阶开挖完成后施作初期支护体系。

图2为隧道周围土体的水平位移场在不同施工方法下的分布情况, 由图2可知, 3种施工方法对隧道开挖产生的周围土体变形具有良好的一致性。大断面隧道周围土体产生明显的正向水平位移, 小断面隧道周围土体产生负向水平位移。当采用三台阶+临时仰拱法施工时, 最大水平位移D_max产生在小断面隧道左侧, D_max=123.69mm;当采用CD法和双侧壁导坑法施工时, D_max产生在大断面隧道右侧, D_max=20.72mm (20.42mm) 。

图3为隧道周围土体的竖向位移场在不同施工方法下的分布情况。由图3可知, 3种施工方法对隧道开挖产生的周围土体变形具有良好的一致性。在开挖隧道土体后, 拱顶沉降较大, 而仰拱隆起现象较为明显, 其中大断面的最大沉降S_max和隆起H_max分别分布在拱顶和仰拱处, 造成这种现象的原因为上部土体重力和构造应力对大断面的变形产生较大影响。当采用三台阶+临时仰拱法施工时, S_max=116.83mm, H_max=146.72mm;当采用CD法和双侧壁导坑法施工时, S_max=23.20mm (15.68mm) , H_max=24.83mm (23.43mm) 。

图4为非对称断面隧道支护结构在不同施工方法下的轴力分布情况, 从支护结构的轴力云图中可以看出。

1) 当采用三台阶+临时仰拱法施工时, 隧道支护结构整体受压, 最大压力出现在大断面隧道拱顶位置, 最大压力值为1 969.79k N。

2) 当采用CD法施工时, 隧道支护结构出现局部受拉区域, 受拉位置集中在大断面隧道拱顶右侧, 最大拉力值为216.39k N, 最大压力出现在隧道拱脚位置, 最大压力值为1 338.35k N。

3) 当采用双侧壁导坑法施工时, 隧道支护结构整体受压, 最大压力出现在大断面隧道拱腰位置, 最大压力值为1 217.07k N。

图5为非对称断面隧道支护结构在不同施工方法下的弯矩分布情况, 从支护结构的弯矩云图中可以看出:在临时支撑和初支结构的相交部位, 弯矩M会出现明显突变, 在其他部位M均匀分布。通过三台阶+临时仰拱法进行隧道开挖时, M⁺_max产生在小断面的拱腰处, 其值为76.88k N·m, M^-_max产生在临时仰拱和初支结构相交部位, 其值为-355.22k N·m;当采用CD法施工时, M⁺_max产生在仰拱的左侧, 其值为148.2k N·m;M^-_max产生在临时支撑和初支结构相交的部位, 其值为-202.48k N·m;通过双侧壁导坑法进行隧道开挖时, M⁺_max产生在拱顶两侧, 其值为75.03k N·m;M^-_max产生在临时支撑和初支结构相交部位, 其值为-125.92k N·m。

对比3种开挖方式下隧道支护结构的受力情况可以看出, 采用三台阶+临时仰拱法>CD法>双侧壁导坑法。与CD法相比, 采用双侧壁导坑法施工过程中, 隧道支护结构始终处于整体受压状态。根据上述分析结果, 西安地铁4号线雁四站—芙蓉站存车区间大断面隧道采用双侧壁导坑法施工。

参考相关资料, 建议大断面双侧壁导坑法施工参数如图6所示, 图中L₁~L₄表示洞室掌子面之间的距离。根据施工安排和相关计算, 施工中1, 2号洞室掌子面距离L₁宜取1倍洞径, 2, 3号洞室掌子面距离L₂宜取3倍洞径, 4, 5号洞室掌子面距离L₃距离越短越好。

小断面台阶法施工时, 上、下台阶间错台距离控制在4~5m, 上台阶和下台阶的单次循环进尺控制在1榀钢架间距内 (0.5~0.75m) 。具体施工步骤如图7所示。

跟踪施工, 现场监测表明, 在双线小净距隧道开挖过程中随着大断面隧道掌子面与监测断面的不断接近, 地表沉降量缓慢增加, 沉降速率维持在0.3mm/d。当掌子面通过监测断面后, 地表沉降速率迅速提高, 最快可达1.8mm/d;当周围土体变形全部释放、初期支撑体系施作完成后, 地表沉降量重新达到稳定。在随后的小断面隧道开挖过程中, 地表沉降变形表现出相同的发展规律, 但与大断面隧道开挖相比变形速率明显偏低。因此, 基于数值模拟方法推荐的施工方案安全、可行。

西安地铁4号线雁四站—芙蓉站存车区间暗挖隧道为非对称断面的大跨小净距黄土隧道, 其中大断面隧道跨度超过12m;隧道穿越湿陷性黄土地层, 隧址区域地下40m深度内为地震液化黏性土;隧道穿越西安市主干道, 周围管线和既有建筑物十分密集, 不合理的施工方式将导致重大的经济损失和人员伤亡。以该存车区间隧道为研究背景, 针对大跨度暗挖、小净距隧道施工稳定性进行深入研究。

基于数值分析计算结果, 对三台阶+临时仰拱法、CD法和双侧壁导坑法等3种开挖方式下的隧道周边土体位移和支护结构受力情况进行分析, 在非对称断面的大跨度小净距隧道施工过程中, 小断面隧道采用三台阶法, 大断面隧道采用双侧壁导坑法施工可以有效控制周边土体变形量, 改善隧道支护结构的受力情况。