地铁车站隧道双洞中岩柱开挖技术研究

刘宁，陈凯，刘向远，付守洪

地铁车站隧道双洞中岩柱开挖技术研究

刘宁1，陈凯1，刘向远2，付守洪2

(1. 贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025；2. 中铁二院工程集团有限责任公司贵阳公司，贵州 贵阳 550025)

贵阳市交通轨道2号线观水路站位于贵阳老城区，周边环境复杂，有岩溶地质发育，施工难题多。而针对超大断面地铁车站浅埋暗挖隧道的施工，目前尚无有关的施工规范和技术标准可循。为了选择适用于本工程的施工工法，提出了浅埋大断面隧道双洞中岩柱法施工方案。通过室内模型试验与隧道结构精细化三维有限元模型对隧道开挖过程进行动态模拟，结合试验监测数据、数值计算结果与工程现场位移监测数据，分析双洞中岩柱法施工引起的隧道围岩力学特征变化规律。结果表明：中岩柱对隧道稳定起着重要作用，在开挖两侧导洞时，隧道围岩应力从0～1 kPa缓慢增加，随着中岩柱的开挖，竖向应力从1～4.7 kPa发生突变。围岩位移的数值计算结果与现场监测数据基本吻合。

地铁车站；浅埋隧道；中岩柱；模型试验；数值模拟

随着城市化进程的加快，城市交通拥堵问题日益严重，地铁修建逐渐成为我国解决城市交通拥堵问题的一个重要举措。我国西南地区工程地质及水文地质条件复杂、工程周边环境复杂，城市地铁车站浅埋隧道施工难题大、风险高。隧道结构施工方案需要从施工安全、工期和成本控制等方面进行优选。施工方案和施工工序的制定，需要综合考虑工程地质条件、隧道结构几何断面及其受力特性、现场施工条件和技术水平等因素，优化施工工序、支护时机、衬砌距离和开挖深度，确保施工过程中开挖面稳定性和地表沉降控制满足要求。目前，大量学者[1−2]采用数值计算的方法对隧道施工技术进行了研究。李克先等[3]发现传统的双侧壁导坑法及拱盖法在硬岩环境中仍存在优化空间，研究出适用于硬岩环境下的工法，研究结果表明化后的拱盖法能够在青岛硬岩地层广泛应用。朱卫东[4]通过对开挖方向、复杂围岩条件及断层破碎带的考虑，开展三维施工过程模拟，获得了三台阶法开挖后的衬砌及围岩受力及变形特征。侯福金等[5]采用数值分析、现场实测方法对开挖工法进行适用性比选研究。发现大岭隧道后行洞施工对先行洞产生影响，不同工法的影响程度排序：半步CD法＞CD法＞双侧壁导坑法。也有大量学者采用模型试验对隧道施工技术做作了一系列研究。在相似材料配比[6−8]和试验方法[9−12]上都有重要成果，研究结果可有效揭示隧道施工过程中围岩变形及其应力变化规律。结合贵阳地区地质条件及地铁2号线观水路车站大断面隧道工程特点，本文采用模型试验与数值模拟的方法，对提出的双洞中岩柱法进行施工力学特征研究，为隧道施工安全提供技术支撑。

1 浅埋隧道荷载及围岩稳定性分析

1.1 碎裂岩土体浅埋隧道荷载的解析解

对于浅埋单拱隧道，开挖后洞室顶部围岩不能形成压力拱。洞室岩柱侧面的法向力可按土力学中挡土墙主动土压力计算，如图1所示。由此可得围岩对顶部衬砌单位面积上的压力为：

式中：为隧道围岩的内摩擦角。

1.2 基于Terzaqhi 理论的浅埋隧道荷载的解析解

Terzaqhi 将隧道围岩简化为具有一定内聚力的松散体，隧道开挖施工过程中顶板围岩逐渐下沉，从而导致应力传递到衬砌上，形成隧道荷载，如图2所示。Terzaqhi理论通常针对侧壁围岩稳定和不稳定2种情况分别计算隧道荷载[13−15]：

1) 当侧壁围岩不稳定时，开挖后隧道侧帮将出现与侧壁成(45°−f/2)的倾斜滑动面，由此引起的隧道衬砌的竖向荷载为：

2) 当侧壁围岩稳定时，下沉仅限于顶板上部岩体，则作用于隧道顶部衬砌上的荷载为：

(a) 侧壁围岩不稳定工况；(b) 侧壁围岩稳定工况

图2 基于Terzaqhi理论计算隧道荷载

Fig. 2 Calculation model of tunnel load by Terzaqhi

上述分析表明，作用于浅埋隧道衬砌上的竖向荷载大小与洞室顶板围岩下沉的跨度大致成线性关系。在隧道施工过程中预留中岩柱能够大幅度减小洞室顶板围岩下沉的跨度，对于浅埋隧道开挖施工过程中围岩稳定和地表沉降控制具有重要的意义。

2 工程背景

以贵阳市地铁2号线观水路车站为工程背景，车站平面图如图3所示，车站隧道结构宽22.16 m，高19.21 m，长180 m，最大开挖面积达370 m2，属超大断面隧道，车站隧道拱顶埋深15～20 m，覆土厚5～16 m，拱顶岩层厚度4～14 m不等，地层从上到下依次为杂填土、可塑状红黏土、强风化白云岩和中风化白云岩，洞身绝大部分位于中风化白云岩中，局部拱顶位于强风化白云岩中，形成了上软下硬的地质构造。车站地质构造图如图4所示。

图3 车站平面图

图4 地质构造图

3 双洞中岩柱法的概念

实际工程中浅埋隧道的常用暗挖施工方法主要包括全断面法、台阶法、中隔墙CD法、交叉中隔墙CRD法、双侧壁导坑法、洞桩法(PBA法)、中洞法及侧洞法等。其中：全断面法施工操作比较简单，工序少，主要适用于较好围岩条件；台阶法是最基本、应用最广泛的施工方法，也是实现其他施工方法的重要手段；CD工法主要适用于地层较差和不稳定岩体，且地面沉降要求严格的地下工程施工。CRD工法是在CD工法的基础上加设临时仰拱，将大断面施工化成小断面施工，各个局部封闭成环的时间短，控制早期沉降好。双侧壁导坑法是城市地铁大断面隧道施工常用的工法，其实质是将大跨度分成3个小跨度进行作业，在较差围岩中控制变形能力非常好，主要适用于地层较差、断面很大、三线或多线大断面铁路隧道及地下工程。

图5 隧道断面分步开挖示意图

考虑到本工程中地铁车站周边环境复杂，地质条件多样，浅埋隧道断面大，围岩情况差，常规的浅埋暗挖法不适用于本工程。综合考虑上述因素，本文在双侧壁导坑法的基础上，提出了双洞中岩柱法的概念，其基本理念是在两侧双导洞施工过程中保留中间核心岩土体，形成起支撑作用的中岩柱，待左右两侧的开挖面挖通后才将中岩柱拆除进行二次衬砌，隧道开挖过程中核心支撑中岩柱沿纵向始终保留一定的长度。两侧导洞开挖进尺控制在5 m左右，并且导洞之间滞后的距离也要控制在5 m左右，直至最后两侧导洞贯通。与传统的双侧壁导坑法相比，双洞中岩柱法利用施工过程中保留了核心中岩柱，开挖进程中隧道开挖面的稳定性及地表沉降变形控制得到了明显的提升。

双洞中岩柱法的隧道横断面分步施工如图5所示，三维施工如图6所示，其施工步骤如图7所示。

图6 三维施工工序

图7 施工流程图

4 模型试验

4.1 模型材料的选取与配制

根据工程实际的地质条件，隧道上覆杂填土、可塑性红黏土、强风化白云岩以及洞身大部分处于中风化白云岩，Ⅴ级围岩。模型试验对其进行了简化，原型材料主要考虑中风化白云岩的作用，用一种相似材料代替。利用相似原理[16]，考虑模型几何相似比L=70，重度相似比r=1，则得到模型材料的物理力学参数，原型材料的物理参数通过工程现场测试获取，如表1所示。

表1 原型和模型材料的物理力学参数

本文所用的原型相似材料选用重晶石粉、石英砂、凡士林。其中重晶石粉用于调节材料重度，石英砂作为骨料，凡士林作为胶结剂利于材料的重复利用，调节相似材料的内摩擦角。通过开展配比试验，最终得到材料的配比为重晶石粉：石英砂:凡士林=16:5.5:1。

4.2 模型制作流程

本试验采用槽钢、钢板和钢化玻璃专门定制了净长宽高分别为1.8 m×0.4 m×1.6 m的平面应变模型箱。其中为了便于观察和检测模型箱内围岩的变化情况，模型箱前后安置长高厚分别为1.7 m×1.6 m×0.019 m的钢化玻璃，并且在合适位置预留隧道开挖孔，模型箱如图8所示。

图8 模型箱

隧道试验模型制作基本流程如下：1) 根据前期获取的材料配比，称取各材料的重量；2) 将称好的材料加入液态凡士林拌合均匀，用搅拌机进行搅拌；3) 将拌好的材料倒入模型箱内，由下往上分层摊铺材料；4) 每铺一层，用木质加压板均匀压实材料；5) 按设计位置在洞周围分层设置量测元件；反复操作，直至模型制作完成。

4.3 模型开挖

试验之前，室内要保持干燥，避免材料受潮，室内温度不宜太高，也不宜太低，控制在20 ℃左右。待相似材料铺装完成后，静置24 h。模型开挖按照施工顺序进行，每次进尺开挖5 cm，每次开挖时间要控制在5 min以内，待两侧导洞挖通后，再每次进尺5 cm开挖预留中岩柱。因模型试验制作难度大，耗时较长，试验次数以试验成功时的次数为准。为了简化开挖过程，不作初支与支撑，模型开挖如图9所示。开挖过程中用预埋的微型土压力盒实时监测隧道拱顶与拱腰的应力变化，应力监测点布置如图10所示，土压力盒之间间隔5 cm。

(a) 隧道洞口；(b)开挖两侧导洞；

单位：cm

5 数值分析模型构建

5.1 计算参数

岩土体的分布厚度根据隧道地质纵断面图取值，其中杂填土3 m，可塑状红黏土7 m，强风化白云岩3 m，其余为中风化白云岩。岩土体物理参数通过工程现场测试获取，其余材料参数依据工程实际设计获取，具体隧道岩土体、衬砌结构及临时支架的物理参数取值如表2所示。

表2 材料的物理力学参数

5.2 精细化有限元模型

依据地铁车站的实际断面面积、车站长度以及地质条件建立数值模型，模型中岩土体及隧道围岩采用满足摩尔—库伦屈服准则的弹塑性本构模型，初支和二次衬砌均采用弹性本构模型。采用ABAQUS有限元软件建立的车站隧道结构模型如图11所示。模型全长180 m，宽140 m，高度为100 m，保证了隧道模型的边界条件，地表按地质勘查的实际原始覆土厚度建模。隧道围岩及覆盖土层、初支及二衬混凝土均采用8节点三维六面体单元来模拟。开挖过程与现场实际开挖方案一致，两侧的导洞向前推进至洞径的5倍左右，再拆除核心中 岩柱。

图11 隧道模型

6 结果分析

由于模型材料是用粗骨料制成，开挖过程中的位移监测用位移计不易被量测，故利用现场的监测数据与数值计算的结果进行位移对比分析。对于应力的分析则采用模型试验与数值计算结果进行 对比。

6.1 模型试验围岩应力分析

根据模型开挖试验，在左右拱腰处布置了6个水平应力监测点，即H1~H6，在拱顶上布置了3个竖向应力监测点，即S1~S3。图12是随着隧道的开挖，各个测点的应力变化曲线，可以看出，应力变化可分为3个阶段。第1阶段，在开挖步6之前，即两侧导洞进尺15 cm时，各个应力监测点的应力都比较小，其值在0.3 kPa左右，且无较大的变化。说明此阶段围岩稳定性较好，基本能实现自稳。第2阶段，当开挖至18步时，即两侧导洞已打通，中岩柱进尺10 cm时，测点应力逐渐增大，且竖向应力要比水平应力大，其中测点S1的应力值最大，达到1.0 kPa左右。说明此阶段随着隧道的开挖，围岩应力发生了重分布。第3阶段，当开挖步在18步后，随着中岩柱的开挖距离增加，隧道逐渐失去中岩柱的支撑作用，形成全断面的临空面，拱顶上的3个竖向应力测点的应力值发生突变，而水平测点的应力值没有发生较大的改变，几乎呈一条水平线。说明中岩柱对隧道起着重要的承载作用，当开挖中岩柱后，隧道围岩应力会逐渐增大，而对拱腰两侧的水平应力的影响较小。

图12 应力监测点的应力值

6.2 数值计算围岩位移分析

图13是观水路站施工现场给出的监测数据，其中地表监测点的记录时间大约在580 d左右，拱顶与拱腰的位移监测时间在300 d左右。可以看出，随着隧道的开挖，地表、拱顶与拱腰的位移不是成线性变化。这是因为车站隧道开挖的过程中，有地面道路的车辆荷载、岩溶地质与周边邻近立井横通道开挖的影响。现将隧道稳定后的位移值与数值计算所得的数据进行对比。

图13 地表监测点的监控数据

如图14是数值计算的地表竖向位移云图，图15是围岩水平位移云图，将其量化分析，图16为监测数据与模拟计算数据位移的对比图，图中给出了地表、拱顶和拱腰位移监测与模拟数据所占的比值和具体位移值，可以看出拱顶沉降数据较为接近，都为4 mm附近；拱腰监测值所占比例较其他部位监测值更大，达到了24.62%，表明了其位移变化受隧道开挖影响更加敏感，其次为地表，达到了23.09%；从监测与模拟数据对比看，地表与拱顶处规律相似，但拱腰处的对比数据差异较大，这与模型材料有关，模拟计算时将土体考虑为均匀同向连续介质，且数值模拟隧道开挖过程忽略了横通道的扰动，只取相似工况的对象点作为对比数据，故模拟值偏小。但其所呈现的规律一致，符合实际工况，说明模拟数据具有一定说服性。

图14 竖向位移云图

图15 水平位移云图

图16 监控数据与模拟数据对比

7 结论

1)针对上软下硬浅埋暗挖超大断面隧道对双侧壁导坑法进行改进，提出了双洞中岩柱法，该法采用先开挖两侧导洞，后开挖预留中岩柱的步骤，模型开挖过程中没有出现隧道坍塌与较大的沉降现象，说明该工法是可行的。

2) 随着中岩柱的开挖，隧道围岩竖向应力并没有立刻发生突变，而是在进尺15 cm左右时发生。水平应力随着开挖不会发生突变。由此可见，隧道在中岩柱开挖一段距离内能保持自稳，当超出这段距离后，会有失稳的风险，建议在开挖中岩柱时做好隧道加固措施。

3) 利用现场位移监测数据与数值计算的对比分析，两者具有很好的吻合性，得出数值计算具有一定的准确性。

4) 本文的模型试验与数值模拟很好的模拟了双洞中岩柱法，揭示了在上软下硬浅埋暗挖下超大断面隧道的应力、位移变化规律，其研究成果能为今后类似工程提供借鉴与参考。

[1] 高红兵. 大跨径铁路车站隧道施工力学特性研究[J]. 现代隧道技术, 2010, 47(3): 32−38. GAO Hongbing. Study on mechanical performance for the construction ofa large-span railway station tunnel[J]. Modern Tunnelling Technology, 2010, 47(3): 32−38.

[2] 李迅, 何川, 耿萍, 等. 浅埋超大断面暗挖隧道施工方法及支护力学特征[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2015, 46(9): 3386−3395. LI Xun, HE Chuan, GENG Ping, et al. Construction schemes and supports mechanical characteristics of shallow embedded large-section tunnel[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2015, 46(9): 3386−3395.

[3] 李克先, 李术才, 赵继增. 大跨度暗挖地铁车站开挖工序优化研究[J]. 地下空间与工程学报, 2017, 13(5): 1329−1337. LI Kexian, LI Shucai, ZHAO Jizeng. Study on optimizing excavation construction of large span subway station[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2017, 13(5): 1329−1337.

[4] 朱卫东. 基于三维数值模拟的软岩超大断面隧道施工技术优化研究[J]. 隧道建设(中英文), 2017, 37(11): 1462−1468. ZHU Weidong. Study of optimization of construction techno-logies for super arge cross-section soft rock tunnel based on 3d numerical simulation[J]. Tunnel Construction, 2017, 37(11): 1462−1468.

[5] 侯福金, 孙克国, 赵然, 等. 超大断面小净距隧道工法适用性研究[J]. 土木工程学报, 2017, 50(增1): 111−116. HOU Fujin, SUN Keguo, ZHAO Ran, et al. Applicability study on construction method of super largesection neighborhood tunnel[J]. China Civil Engineering Journal, 2017, 50(Suppl 1): 111−116.

[6] PC F C. Shallow tunnels in cohesionless soil stability of tunnel face[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1994, 7(120): 1148−1165.

[7] Meguid M A, Saada O, Nunes M A, et al. Physical modeling of tunnels in soft ground: A review[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2008, 23(2):185−198.

[8] Herbert Walter, Charles James Coccia, Hon-Yim Ko, et al. Centrifuge modeling of face excavation in tunnels with a deformable lining[C]// Proceeings of Geo Florida 2010: Advances in Analysis Modeling & Design. Florida: ASCE, 2010, 2329−2338.

[9] 刘晓敏, 盛谦, 陈健, 等. 大型地下洞室群地震模拟振动台试验研究(Ⅰ ): 岩体相似材料配比试验[J]. 岩土力学, 2015, 36(1): 83−88. LIU Xiaomin, SHENG Qian, CHEN Jian, et al. Seismic shaking table test for large-scale underground cavern group (I): Proportioning test on similar materials of surrounding rock[J].Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(1): 83−88.

[10] 王凯, 李术才, 张庆松, 等. 流−固耦合模型试验用的新型相似材料研制及应用[J]. 岩土力学, 2016, 37(9): 2521−2533. WANG Kai, LI Shucai, ZHANG Qingsong, et al. Development and application of new similar materials of surrounding rock for a fluid-solid coupling model test[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(9): 2521−2533.

[11] 刘泉声, 彭星新, 雷广峰. 特大断面浅埋暗挖隧道十字岩柱开挖技术模型试验研究[J].岩土力学, 2017, 38(10): 2780−2787. LIU Quansheng, PENG Xingxin, LEI Guangfeng. Geomechanical model test on excavation technology of supper-large cross-section ultra-shallow tunnel with cross rock pillar method[J]. Rock and Soil Mechanics, 2017, 38(10): 2780−2787.

[12] 杨旭, 苏定立, 周斌, 等. 红层软岩模型试验相似材料的配比试验研究[J]. 岩土力学, 2016, 37(8): 2231−2237. YANG Xu, SU Dingli, ZHOU Bin, et al. Experiment study on similarity ratio of similar material for model test on red-bed soft rock[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(8): 2231−2237.

[13] 傅鹤林, 韩汝才, 朱汉华. 破碎围岩中单拱隧道荷载计算的理论解[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2004, 35(3): 478−483. FU Helin, HAN Rucai, ZHU Hanhua. Theoretical load solution of single tunnel inside broken rockmass[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2004, 35(3): 479−483.

[14] Aydam O, Akgi T, Kawamoto T. The squeezing potential of rock around tunnel theory and prediction[J]. J Rock Mechanics and Rock Engineering, 1993(26): 21−23.

[15] Einstein Herbert H, Bischoff N. Design of tunnels in swelling rocks[C]// Proceeding of Design Methods in Rock Mechanics16th Symposium on Minneapolis, USA, 2000: 897−899.

[16] 袁文忠. 相似理论与静力学模型试验[M]. 成都: 西南交通大学出版社, 1998. YUAN Wenzhong. Simulation theory and statics model test[M]. Chengdu: Southwest Jiaotong University Press, 1998.

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

；黔科合基础[2020]Y250；中国博士后科学基金面上资助项目(2017M622929)；广西大学开放课题(2016ZDK012)；黔科合支撑[2020] 2Y036；贵大人基合字(2017)62号

刘宁(1984−)，男，山东济宁人，副教授，博士，从事隧道工程研究；E−mail：weishiliufeng@163.com

(编辑 阳丽霞)