海相地层条件下浅埋暗挖隧道开挖方法对比研究

海相地层条件下浅埋暗挖隧道开挖方法对比研究

刘陆东1，许磊2*，高搏3

1 中电建南方建设投资有限公司,深圳 518000；2 中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 611730；

3 河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000；

摘  要：以深圳地铁松岗站6号线风亭改造段为研究背景，利用有限差分软件FLAC3D对海相地层条件下浅埋暗挖隧道开挖方法进行研究和分析。对比了全断面法、台阶法、新意法对浅埋暗挖隧道掌子面、结构及围岩的变形影响。研究结果表明，三种开挖方法对浅埋暗挖隧道掌子面和围岩稳定性从大到小分别为：新意法>台阶法>全断面法，新意法开挖地表沉降量分别为全断面法和台阶法的1.13%和2.16%。

关键词：海相地层；浅埋暗挖隧道；台阶法；全断面法；新意法

中图分类号：U455.49        文献标识码：A 

1  引言

海相地层在我国沿海一带分布很广，其主要以淤泥、淤泥质粉质粘土及中粗砂构成。淤泥主要分布于海积地貌，厚度较大，流塑状态，局部软塑状态。在该地层条件下施工，隧道围岩自稳能力差，地层变形控制困难，施工周期较长。在隧道开挖过程中，最重要的就是对掌子面的变形控制。这是由于在隧道开挖时，随着土体的移除，地层初始地应力平衡状态被打破，隧道围岩由三向应力状态向二项应力状态进行转变，掌子面开始受力不平衡，产生向隧道内部滑动的趋势，随着变形越来越大，掌子面由原来的弹性状态转变为塑性，之后随着变形进一步加大就会导致隧道掌子面失稳破坏，严重会引起隧道塌方。

我国对浅埋暗挖隧道的施工经验较多，但是在淤泥质地层进行浅埋暗挖隧道施工的案例相对较少，周书明[[1]]在对广州地铁二号线淤泥质地层施工中，采用超前小导管进行预加固，有效控制了沉降，施工后符合预期。乔治[2]对淤泥质地层盾构施工过程中存在的问题进行分析，通过优化配置及参数使隧道成型质量得到大幅提升。蔡东明[3]对比研究新意法及浅埋暗挖法施工对隧道变形控制效果比较，得出新意法在控制隧道变形方面优势明显。谭贝[4]在研究淤泥质地层隧道施工中掌子面失稳及地表塌陷等问题时，得出采用旋喷桩加固+隧道掌子面超前加固+环向注浆加固等组成的复合加固措施，能有效降低隧道开挖对地层及周边环境的影响。夏万五[5]对浅埋暗挖法施工技术进行研究，得出超前支护和地表水截排等对隧道开挖时的影响，从而保证浅埋暗挖法施工的质量。李鑫[6]对软弱围岩隧道超前支护，超前小导管支护技术优缺点进行研究，得出合理确定导管孔径、注浆参数、加工安装等工序，可获得良好的预加固效果。

本文为研究不同开挖方法对隧道掌子面及围岩稳定性的影响。分别采用台阶法、全断面法、新意法进行数值模拟隧道开挖，分析其变形沉降规律，并分析其原因。

1  工程概况

1.1  项目简介

本文以深圳地铁松岗站6号线风亭改造暗挖通道为例，采用数值模拟的研究方法，对海相地层条件下浅埋暗挖隧道掌子面失稳模式进行研究。松岗站位于深圳市宝安区，既有6号线站后折返区间风亭组横跨拟建12号线车站主体基坑，风亭组出风口结构位于沙江路南侧，为保证既有地铁运营，需将风亭组结构改建至沙江路北侧，采用浅埋暗挖的方式进行开挖。风亭组改造段平面图如图1所示。图1风亭组改造段平面图

1.2  隧道结构概况

隧道主要穿过淤泥、粉质粘土和淤泥质粉质粘土，隧道埋深5.5m，洞高7.07m，洞宽5.8m，初衬厚0.3m，二衬厚0.7m。隧道结构剖面图如图2所示。

图2隧道结构剖面图

2  有限元模拟

本模型地层采用摩尔库伦（Mohr-Coulomb）本构模型模拟，隧道初衬、二衬、仰拱采用弹性（Elastic）本构模型模拟，水平旋喷桩采用壳（Shell）单元模拟。模型取对称一半模型进行建模，尺寸为X×Y×Z = 30m×13.95m×30m。用犀牛建模软件建模后导入FLAC3D数值模拟软件进行参数赋值及计算。

2.1  地层模型参数设置

对海相地层进行数值建模，主要土层为素填土、淤泥、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粗砂、砂质黏性土、全风化混合花岗岩、强风化混合花岗岩。其各土层物理力学性质如表1所示。

表1 主要土层的物理力学指标

2.2  支护参数设置

暗挖通道采用复合式衬砌结构形式。初期支护采用喷混凝土、8a工字钢、钢筋网，二衬采用钢筋砼，新意法开挖前对拱顶及周边土体进行注浆加固，支护参数见表2~3。

表2 初衬、二衬参数

表3 掌子面注浆、水平旋喷桩参数

2.3  数值模拟开挖对比分析

全断面开挖每次开挖进深为0.5m，每次开挖后立即进行初期支护。

台阶法采用上下两台阶开挖，上台阶预留核心

土，限制掌子面位移，上下台阶开挖间隔距离为5米，每次开挖进深为0.5m。台阶法施工图如图3所示。

图3台阶法施工图

新意法开挖前对开挖段隧道掌子面及围岩进行预注浆，注浆深度为13.95m；隧道结构外围打设长13.95m、直径600mm、桩间距450mm的水平旋喷桩；开挖进尺为0.5m。施工应严格执行“管超前、严注浆、短开挖、强支护、紧封闭、勤量测”的方针施工，确保隧道施工能安全、顺利的进行。新意法施工图如图2-2所示。

图4新意法施工

全断面法、台阶法、新意法隧道施工位移云图如图5~7所示。

3  掌子面稳定性分析

3.1 全断面法开挖数值模拟结果分析

全断面法开挖掌子面最大位移出现在10.5m处，其掌子面挤出位移为334.4mm。隧道开挖完成后最终地表最大沉降发生在13.95m处，最大沉降值为120mm。隧道结构侧墙监测点处，监测隧道水平方向洞内收敛最大位移发生在13.95m处，最大水平位移为23.9mm。隧道结构顶部最大沉降发生在13.95m处，最大沉降值为176.1mm。隧道结构底部最大隆起发生在2m处，最大隆起值为67.5mm，其次为13.95m处，最大隆起值为67.48mm。分析后可得出，全断面法开挖时其位移变形从大到小依次为，掌子面挤出位移>结构顶部沉降位移>地表沉降位移>结构拱底隆起位移>结构侧向水平位移。其最大位移大部分出现在隧道尾部，这是由于全断面法开挖其支护方式采用早封闭的模式，每开挖0.5米立即进行隧道支护，所以隧道支护处位移很小，未支护处位移相对就较大，因此当开挖到13.95m处时位移出现最大值。

3.2 台阶法开挖数值模拟结果分析

台阶法开挖掌子面最大位移出现在上台阶9.5m处，其掌子面挤出位移为294.68mm。隧道开挖完成后最终地表最大沉降发生在0m处，最大沉降值为63.75mm。隧道结构侧墙监测点处，监测隧道水平方向洞内收敛最大位移发生在13.95m处，最大水平位移为18.875mm。隧道结构顶部最大沉降发生在0m处，最大沉降值为89.5mm。隧道结构底部最大隆起发生在13.95m处，最大隆起值为71.8mm。分析后可得出，台阶法开挖时其位移变形从大到小依次为，掌子面挤出位移>结构顶部沉降位移>结构拱底隆起位移>地表沉降位移>结构侧向水平位移。其最大位移在隧道前中后部都有出现，这是由于台阶法开挖其分上下两部分开挖，上台阶开挖面小可抑制掌子面挤出变形，但其初期支护封闭较晚，导致早期地表沉降较大，中期时上下台阶同时开挖，隧道初支封闭成环，围岩趋于稳定，但底拱的施作要晚于隧道顶部支护，因此结构底部隆起较大。

3.3新意法开挖数值模拟结果分析

新意法开挖掌子面最大位移出现在2.5m处，其掌子面挤出位移为2.51mm。隧道开挖完成后最终地表最大沉降发生在13.95m处，最大沉降值为1.35mm。隧道结构侧墙监测点处，监测隧道水平方向洞内收敛最大位移发生在0m处，最大水平位移为0.21mm。隧道结构顶部最大沉降发生在12m处，最大沉降值为1.36mm。隧道结构底部最大隆起发生在2m处，最大隆起值为1.99mm。分析后可得出，新意法开挖时其位移变形从大到小依次为，掌子面挤出位移>结构拱底竖向位移>结构顶部沉降位移>地表沉降位移>结构侧向水平位移。其隧道开挖前后围岩及结构变形量很小，这是由于新意法开挖在隧道开挖前提前对围岩进行预注浆和超前水平旋喷桩支护，提高开挖面围岩的强度，所以掌子面挤出变形很小，隧道每开挖0.5米立即进行初期支护封闭成环，隧道开挖整体性好，开挖时对周围围岩扰动小，因此位移变化不明显。

4  全断面法、台阶法、新意法开挖模拟结果对比分析

4.1 隧道掌子面挤出变形对比分析

图8三种开挖方法对掌子面稳定性影响对比曲线

隧道掌子面挤出变形对比曲线见图8。由图8分析可知，在初期支护方式一样时，不同开挖方式下隧道掌子面变形位移差别很大，其中全断面法开挖引起的掌子面挤出位移最大，新意法开挖掌子面最大挤出变形量最小，约为全断面法开挖掌子面最大挤出位移的7.5‰；台阶法开挖掌子面最大挤出位移，约为全断面法开挖掌子面最大挤出位移的88.1%。

4.2 隧道地表沉降变形对比分析

图9三种开挖方法对地表沉降位移影响对比曲线

隧道地表沉降位移对比曲线见图9。由图9分析可知，全断面法开挖引起的地表沉降位移最大，新意法和台阶法开挖引起的地表沉降量相差不大，其中新意法开挖引起的地表最大沉降约为全断面法开挖的1.13%；台阶法开挖引起的地表最大沉降约为全断面法开挖的52.4%。新意法开挖前后地表沉降变化不明显；全断面法的地表沉降与掌子面位置呈正相关；台阶法的地表沉降与掌子面位置呈负相关。这是由于台阶法开挖前期不能进行及时封闭支护导致的，后期随着支护逐渐封闭成环，隧道地表沉降值也逐渐趋于稳定。

4.3 隧道结构顶部沉降变形对比分析

图10三种开挖方法对结构顶部沉降影响对比曲线

隧道结构顶部沉降变形对比曲线见图10。由图10，分析可知，全断面法开挖引起的结构顶部沉降变形最大，新意法引起的结构顶部沉降变形量最小，其中新意法约为全断面法开挖结构顶部最大沉降量的7.6‰；台阶法开挖结构顶部最大位移，约为全断面法开挖最大位移的50.1%。相比于全断面法和台阶法开挖，新意法可有效控制隧道结构顶部沉降，从而控制围岩变形。

4.4 隧道结构侧向水平收敛位移对比分析

图11三种开挖方法对结构侧向收敛影响对比曲线

隧道结构侧向水平收敛对比曲线见图11。由图11分析可知，全断面法和台阶法开挖引起的结构侧向水平位移都较大，并且变化趋势接近；新意法开挖引起的结构侧向位移最小，其最大变形位移约为全断面法开挖的8.82‰；约为台阶法开挖的1.1%。新意法抵抗结构侧向变形的能力十分显著，在对隧道侧向变形要求高的隧道施工中可优先选择新意法开挖。

4.5 隧道结构拱底隆起变形对比分析

图12 三种开挖方法对结构底部变形影响对比曲线

三种开挖方法对结构底部变形影响对比曲线见图12。由图12分析可知，全断面法和台阶法开挖引起的结构底部变形位移都较大，并且数值接近，新意法开挖引起的结构底部变形最小，其最大变形位移约为全断面法开挖的2.9%；约为台阶法开挖的2.8%。新意法抵抗结构底部变形的能力十分显著，其隧道开挖前后底部变化值相差不大，可防止隧道因不均匀沉降而引起的裂缝形成。

5  结论

通过对比全断面法，台阶法，新意法，三种开挖方式下隧道结构及围岩变形情况进行对比分析其变化规律，现得出以下主要结论：

1）在海相条件下，淤泥质地层浅埋暗挖法施工，在总体控制变形能力下，新意法>台阶法>全断面法；采用新意法施工能大大降低地表及隧道结构变形，比台阶法和全断面法施工优势显著。

2）在隧道开挖过程中，控制掌子面挤出变形可有效控制隧道围岩沉降，新意法采用超前预注浆的方式控制掌子面变形，台阶法采用预留核心土的方式，而全断面法没有对隧道掌子面进行控制，最后导致其地表沉降位移是台阶法的两倍左右。

3）新意法开挖时，根据现场工程地质的不同，可以通过改变注浆参数，超前导管的长度和直径的方式来改变支护强度，从而达到现场预期规范控制效果。

参考文献：

[1] 周书明，陈建军.软流塑淤泥质地层地铁区间隧道劈裂注浆加固[J].岩土工程学报，2002，24（02）：222- 224.

[2] 乔治.淤泥质软土地层盾构选型及掘进技术研究[J].中国设备工程，2021，（03）：225-226.

[3] 蔡东明.新意法与浅埋暗挖法施工隧道力学效应的对比分析[J].特种结构，2020，37（04）：25-34.

[4] 谭贝.淤泥质地层隧道浅埋暗挖法施工变形分析[J].山西交通科技，2021，（02）：76-80.

[5] 夏万武.隧道工程浅埋暗挖法施工技术研究[J].交通世界，2021，(09)：35-39.

[6] 李鑫.软弱围岩隧道中超前小导管施工技术的应用[J].绿色交通，2021，11（04），272-273

Comparative study on excavation methods of shallow buried tunnel under Marine stratum

LIU Lu-dong1,XU Lei2*,GAO Bo3

(1 China Power Construction South Construction Investment Co., LTD., Shenzhen 518000, China;

2 Sinohydro Seventh Engineering Bureau Co., LTD., Chengdu, Sichuan 611730;

3 School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454000, China；)

Abstract: Taking Fengting reconstruction section of Songgang Station Line 6 of Shenzhen Metro as the research background, the excavation method of shallow buried tunnel under Marine stratum condition is studied and analyzed by using finite difference software FLAC3D. The influence of full section method, step method and new idea method on the deformation of face, structure and surrounding rock of shallow buried tunnel is compared. The results show that the three excavation methods have different effects on the stability of the face and surrounding rock of shallow buried tunnel from large to small: new method > The steps method & gt; The ground settlement of the full-section method and the new method are 1.13% and 2.16% of the full-section method and the step method, respectively..

Key words: Marine strata; Shallow tunneling method; Bench method; Full section method; ADECO-RS

收稿日期：2022-10-19

作者简介：刘陆东(1991-),男,研究生/工程师,工作方向为地铁隧道施工管理.1173570942@qq.com

通讯作者：许磊(1974-),男,本科/工程师,E-mail:705154185@qq.com