贵阳轨道交通1号线下麦西隧道下穿环城高速公路填方路堤施工稳定性分析

2014 中国 （青岛） 城市轨道交通管理和技术创新研讨会贵阳轨道交通 1 号线下麦西隧道下穿环城高速 公路填方路堤施工稳定性分析刘向远摘要：在建贵阳市轨道交通 1 号线工程下麦西隧道下穿环城高速公路交通涵出口翼墙， 该段隧道下穿施工安全风险极高，施工难度极大。

本文通过系统数值分析计算了施工过 程中隧道衬砌内力和围岩的应力、变形和塑性区，对比不同支护形式时隧道衬砌内力、 围岩塑性区等的差异，为后续施工和支护方案的确定提供必要的技术支持。

0 前言在建贵阳轨道交通 1 号线 7 标长 478m 的下麦西双线隧道（YD1K1+327～YD1K1+805） ，为 双线单洞隧道，其最大开挖宽度约 12m，面积 92m2,隧道最大埋深 30m，最小埋深 0. 8 m，为典型 全隧浅埋、超浅埋隧道。

隧道在 YD1K1+448～+483 段同时下穿高速公路、公路交通涵出口道路、 翼墙及其后高速公路填方路堤。

下穿交通涵口部隧道拱顶覆土厚度仅为 0.8～1.0m，交通涵净宽× 净高为 5×5m，有商品混凝土拌合站重车通行，交通涵翼墙高度 2～7m。

隧道该段施工安全风险 极高，施工难度极大，易引起高速公路路堤、挡墙失稳，进而危及上方高速公路安全。

隧道从进 口往出口端施工，目前，掌子面已位置为 YD1K1+456 里程处（该里程位于环城高速公路二级边 坡平台附近） ，在一步施工中，隧道施工将穿越穿环城高速公路交通涵出口道路及前后浅埋段，施 工对环城高速公路交通涵洞口挡墙的影响很大。

基于施工安全考虑，对施工对挡墙的影响进行分 析显得尤为重要。

本文通过系统数值分析计算了施工过程中隧道衬砌内力和围岩的应力、变形和 塑性区，对比不同支护形式时隧道衬砌内力、围岩塑性区等的差异，为后续施工和支护方案的确 定提供必要的技术支持，指导该工程的施工，确保施工安全。

1 工程概况1.1 环城高速公路交通涵地质概况下穿段高速公路为半填半挖路堤，其中，YD1K1+395～+456 段隧道穿越中风化页岩地层，为 IV 级围岩，该段路面至隧顶依次为：第四系土层（Q4edl） ，厚 4～7m；二叠系上统龙潭组(P2lt)页岩， 厚 7～20m。

隧道中下下部为三叠系下统大冶组二段(T1d2) 中风化灰岩及二叠系上统龙潭组(P2lt) 中 风化页岩。

YD1K1+456～+505 段隧道穿越页岩及第四系土层，为 V 级围岩，从地表至隧顶依次为： 第四系残积层（Q4edl） ，厚 0.8～9m；二叠系上统龙潭组(P2lt)页岩，覆盖厚度 0～7m，洞身以下为 二叠系上统龙潭组(P2lt)中风化页岩，地下水主要为岩溶管道及基岩裂隙水, 其次为地表覆盖层中的 孔隙水，主要由东南向西北流动，地下水大致随里程增加而抬升，隧道下穿段平面、纵面见图 1。

205图 1 隧道下穿段平面、纵面图1.2 隧道穿越环城高速公路交通涵及填方区设计方案隧道洞内支护、施工及安全防护措施如下。

（1） 超前支护采用φ108 大管棚，辅以φ42 小导管超前支护； （2） 初期支护采用 30cm 厚 C25 喷射砼，系统锚杆拱部采用φ25 中空注浆锚杆，边墙采用φ 22 砂浆锚杆；全环设置φ8 钢筋网；I22b 型钢钢架全环设置，YD1K1+470~+488 段间距 0.5m/榀， 其余为 0.6m/榀；在拱脚、边墙脚等工序变化处设计锁脚锚杆； （3） 二衬衬砌采用 60cm 厚 C35 钢筋混凝土；仰供填充采用 C20 混凝土； （4） 施工工法采用双侧壁导坑法施工；支护进尺不大于一榀钢架间距，严格按照"挖一榀支一 榀、钢架及时封闭成环、二衬尽早施作"的原则进行施工；采用人工或机械开挖。

图 2 隧道下穿段支护结构图 2062014 中国 （青岛） 城市轨道交通管理和技术创新研讨会2 数值模型及计算2.1 数值模型土体模型采用弹塑性理论计算，土体材料模型采用摩尔-库仑准则。

土体及结构均采用实体单 元，模拟边界条件的选取时除了模型上边界为地表，取为自由边界，其他面均采取法向约束，采 用 Midas Gts 软件进行计算分析； 土层厚度、土层力学参数、地下水位等工程地质水文地质条件， 按照表 1 和表 2 参数进行选取。

表 1 土层物理力学性质参数建议值 土质 单元 <1-2-1> <1-1-2> <1-3-1> <1-3-2> <1-3-3> 土层 类别 耕植土 人工填土 硬塑状粘土 可塑状粘土 软塑状粘土 重度 /kN·m3 16.5 17.0 17.1 17.1 17.0 内摩擦 角/° 12~16 6.5 6 4 内聚 力 /KPa 5 50 40 20 压缩 模量 /MPa 7.0 5.0 2.5 压缩 系数 /MPa-1 0.54 0.60 0.83 承载力 标准值 /MPa 180 160 120 基床系数 K /MPa·m-1 水平 Kh 35 25 14 垂直 Kv 30 22 12表 2 岩体物理力学参数建议值 岩质 单元 <14-16-3> <14-16-2> <13-04-3> <13-04-2> <10-16-3> <10-16-2> 性状 中厚层 至块状 薄至中 层页岩 中厚层 灰岩 重度 /kN·m3 26.5 27.5 25.5 25.9 26.4 27.0 饱和抗压 /MPa 15 35 4 12.7 10 35 承载力 /MPa 1.5 3.5 0.5 1.2 1.0 3.0 φ’/° 35 45 20 30 30 42 抗剪断 C’/MPa 0.40 1.0 0.05 0.20 0.25 0.80 基床系数/MPa·m-1 垂直 300 600 100 200 250 500 水平 350 700 140 250 300 6002.2 隧道穿越环城高速公路交通涵模型下麦西隧道下穿高速路挡土墙模型长 102m，宽 100m，高 72m，108798 个单元，21452 个节 点，计算模型图见图 3 所示。

其中挡土墙距离隧道模型初始开挖面 60m，距隧道顶部 1m。

2.3 施工模拟工序本次模拟采用两种不同开挖方式对隧道进行开挖模拟： （1）双侧壁导坑法； （2）全断面开挖 法。

侧壁导坑法：双侧壁导坑法的模拟施工横向开挖工序分为四部。

工序一为双侧导坑开挖 3m， 施加初衬；工序二采用上部台阶开挖 3m，施加初衬；工序三采用下部台阶开挖 3m，施加初衬；207工序四为拆除中隔壁初衬；工序五为全断面开挖 3m，施加初衬。

不同工况模拟图见图 4 所示。

（a）整体模型（b）隧道、挡土墙、涵洞主体结构位置关系 图 3 隧道下穿挡土墙计算模型（1）工序一（2）工序二 图 4 模拟工况图（3）工序三（4）工序五2.4 挡土墙底部关键点位移随隧道开挖的变化（a）关键点位置图（b）关键点竖向位移变化（c） 关键点侧向位移变化图 5 隧道底部关键点位置及关键点位移变化图按图 2 给出的工况图进行隧道开挖模拟， 图5 （a） 给出了挡土墙底部关键点位置示意图， 图3 （b） 和图 3（c）分别给出了随隧道开挖挡土墙底部关键点竖向位移变化和随隧道开挖挡土墙底部关键点侧 向位移变化。

由图 3 可见，挡土墙底部关键点开始产生位移变化从第 8 步左右，也就是当隧道开挖到 第 21m 时，距离挡土墙 39m，对挡土墙产生影响；当隧道开挖到挡土墙下时（即隧道开挖到第 60m 时） ，挡土墙位移变化开始出现大幅度变化；当隧道开挖到第 29 步时（即第 84m 时） ，挡土墙变化趋 于稳定。

故以隧道开挖 0~21m、21~60m、60~84m 作为纵向 3 个阶段对挡土墙的影响进行研究。

2.5 挡土墙底部沉降位移及拉应力的变化由数值模拟得到的双侧壁导坑法与全断面开挖法挡土墙底部关键点的沉降位移对比计算结果2082014 中国 （青岛） 城市轨道交通管理和技术创新研讨会分析可见：双侧壁导坑法引起的最大沉降大于全断面开挖法，但全断面法对挡土墙引起的位移变 化波动更大。

在引起挡土墙上升和侧向变形上，双侧壁导坑法的变化曲率以及最大值都小于全断 面开挖所引起的变化。

因此，双侧壁导坑法更优于全断面开挖法。

图 6 给出了采用双侧壁导坑法施工中不同工况下隧道开挖引起的挡土墙底部拉应力的变化； 图 7 给出了采用全断面法施工中不同工况下隧道开挖引起的挡土墙底部拉应力的变化。

表 3 给出 了不同工况挡土墙拉应力变化数值。

（a）初始状态时（b）开挖 21m 时（c）开挖第 60m 时（d）开挖第 84m 时图 6 隧道双侧壁导坑法开挖时挡土墙所受拉应力云图（a）初始状态时（b）开挖 21m 时（c）开挖第 60m 时（d）开挖第 84m 时图 7 隧道全断面开挖法时挡土墙所受拉应力云图 表 3 挡土墙底部应力变化 最大拉应力/M·pa 双侧壁导坑法 初始状态 隧道开挖 21m 隧道开挖 60m 隧道开挖 84m 6.96 6.96 7.29 7.26 全断面开挖法 6.96 6.96 6.97 7.20 最小拉应力/M·pa 双侧壁导坑法 0.525 0.519 0.426 0.329 全断面开挖法 0.525 0.519 0.313 0.309分析以上计算数据，在计算模型中由于挡土墙模型单元是从土体中析取出来，故挡土墙一开 始就存在土体自重拉应力，挡土墙在初始状态下所受到最大拉应力为 6.97Mpa，将初始拉应力看 作 0，即在一开始挡土墙未受到拉应力的作用。

随着隧道的开挖，从开挖到第 17 步（即隧道开挖 51m） ，最大拉应力基本上没有变化，从 51m 后最大拉应力逐渐增大，此时挡土墙出现拉应力，墙 体受到破坏。

3 隧道穿越挡土墙段施工建议鉴于以上分析， 在掌子面的后续推进施工中， 应首先完成已施工完成的开挖段隧道的初支及二衬，209确保已施工段隧道结构及上方公路安全；同时，鉴于该段路堤在施工中出现局部的开裂现象，建议应 对其进行加固，可采取挡墙后注浆加固、施工路堤加固桩、施作拱部明作段大管棚及交通涵出口便桥 等。

同时建议施工单位应组织精锐施工队伍，进行突击施工，尽快完成交通涵出口前后浅埋段隧道施 作，待二衬施作完成并达到设计强度后，方可恢复路面通行；施工期间，应设专职安全员对交通涵出 口段通行车辆信息实时掌握，当重车通行时，应确保交通涵出口段隧道施工人员临时撤离。

在 YD1K1+456～+518 段，隧道应采用双侧壁导坑法施工，支护进尺不大于一榀钢架间距，严 格按照"挖一榀支一榀、钢架及时成环、二衬尽早施作"的原则进行施工。