大跨度超小凈距暗挖地鐵隧道施工方法模擬優(yōu)化分析＊

蔣 彪，肖 巖，李凌宜

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082;2.長(zhǎng)沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410011;3.北京市公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102206)

大跨度超小凈距暗挖地鐵隧道施工方法模擬優(yōu)化分析＊

蔣 彪1，2，肖 巖1，李凌宜3

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082;2.長(zhǎng)沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410011;3.北京市公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102206)

以地鐵停車區(qū)間淺埋暗挖隧道施工為研究對(duì)象，采用有限差分專業(yè)軟件FLAC對(duì)九步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法研究圍巖及中巖墻位移、應(yīng)力以及地表沉降等規(guī)律。研究結(jié)果表明，采用六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑方法能夠達(dá)到施工控制要求，可以對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

大跨度;超小凈距;模擬;優(yōu)化

長(zhǎng)沙市軌道交通2號(hào)線一期工程SG－3標(biāo)段溁灣鎮(zhèn)停車線區(qū)間位于楓林一路與溁灣路交叉路口，且靠楓林一路北側(cè)設(shè)置。楓林一路地面現(xiàn)狀為雙向六車道，車流量較大;溁灣路為雙向四車道，車流量較小，但其為溁灣鎮(zhèn)車站的主要出入口。站前停車線主要地層為雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土(厚0.5 ～8.3 m)、泥(砂)質(zhì)板巖(主要)，局部夾斷層角礫巖，區(qū)間施工范圍存在2個(gè)斷層帶，隧道所穿過(guò)地層主要為泥質(zhì)板巖和斷層角礫巖。

停車區(qū)間A，B和C3個(gè)斷面均采用淺埋暗挖施工方法施工，其中C斷面隧道跨度最大，達(dá)到14.4 m，C斷面與右線單線隧道所夾中巖墻寬度僅為627～1 650 mm，比通常意義上的小凈距隧道還小，見圖1。原設(shè)計(jì)中C斷面開挖采用九步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，開挖工序見表1，由于溁灣鎮(zhèn)車站是長(zhǎng)沙地鐵二號(hào)線最大的車站，同時(shí)為過(guò)湘江橘子洲盾構(gòu)隧道提供始發(fā)井，為二號(hào)線的節(jié)點(diǎn)工程之一，對(duì)工期提出了更高的要求，并且九步雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工方法對(duì)圍巖擾動(dòng)次數(shù)較多，擬對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 雙線C斷面及右側(cè)單線隧道示意圖Fig.1 Diagram of double－ line C section tunnel and right single－line tunnel

1 施工方法比選

停車線區(qū)間大斷面開挖相對(duì)于其他的地鐵暗挖隧道具有一定的特殊性。由于暗挖區(qū)間施工期間道路不封閉，兩側(cè)房屋均為淺基礎(chǔ)磚混結(jié)構(gòu)，對(duì)地表位移和土層位移提出了更高的控制要求;兩條隧道所夾中巖墻寬度很小，中巖墻的圍巖穩(wěn)定性對(duì)隧道的開挖提出了更嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)［1－6］。

國(guó)內(nèi)外大量的地下工程實(shí)例和理論研究分析表明，不同的施工方法乃至同一種施工方法的不同開挖順序?qū)Φ貙游灰?、圍巖穩(wěn)定性均有很大影響［7－8］。因此有必要根據(jù)隧道斷面的大小、斷面形狀、埋深、地質(zhì)情況等對(duì)施工方法進(jìn)行優(yōu)化比選。相對(duì)于大管棚超前支護(hù)、注漿加固等輔助手段，施工方法的優(yōu)化作為主動(dòng)控制措施，能更有效地減少施工對(duì)周圍環(huán)境的影響。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法通常被認(rèn)為能有效地控制地表沉降和圍巖變形而在城市地鐵暗挖隧道中得到廣泛的應(yīng)用，但也由于其對(duì)圍巖擾動(dòng)次數(shù)過(guò)于頻繁并且拆除支撐時(shí)引起的應(yīng)力重分布對(duì)圍巖影響較大而使施工過(guò)程控制變得較為復(fù)雜，對(duì)工期要求也相應(yīng)地延長(zhǎng)。設(shè)計(jì)中采用的九步雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工步較多，對(duì)圍巖擾動(dòng)次數(shù)多，并且需要更長(zhǎng)的工期，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

在進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)，主要考慮原設(shè)計(jì)方案、六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法以及CRD法進(jìn)行對(duì)比。表1為3種施工方法的主要施工工序。

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2 施工過(guò)程數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型參數(shù)的確定

本文采用有限差分專業(yè)軟件FLAC進(jìn)行建模分析［9－10］。假定地表和土層均成層勻質(zhì)水平分布，計(jì)算參數(shù)見表2。土體采用彈塑性摩爾－庫(kù)倫準(zhǔn)則，初期支護(hù)和支撐均采用線彈性材料，管棚的作用按照等效原則考慮，由于施工過(guò)程中，地下水很少，故在分析中不考慮地下水的影響。

模擬中，格柵拱架通過(guò)等效法考慮時(shí)，根據(jù)抗壓剛度相等的原則，將鋼架的彈性模量折算給混凝土，計(jì)算公式為:式中:E為折算后混凝土彈模;E0為原混凝土彈模;Sg為鋼拱架截面積;Eg為鋼材彈模;Sc為混凝土截面積。

表2 各地層主要物理參數(shù)Table 2 Main physical parameters of each stratum

2.2 計(jì)算模型建立與網(wǎng)格劃分

根據(jù)以上各工況斷面，采用平面應(yīng)變模型，為保證模型邊界不受隧道開挖的影響，從兩隧道中心線向兩側(cè)各取60 m，模型沿X方向共取120 m，Y方向由地面向下取60 m。運(yùn)用FLAC進(jìn)行計(jì)算分析。土體采用實(shí)體單元模擬，平面模擬中管棚簡(jiǎn)化為周邊圍巖參數(shù)提高，其中提高參數(shù)根據(jù)剛度折算及經(jīng)驗(yàn)綜合選取，初支及二襯都采用襯砌單元模擬，各工況計(jì)算模型見圖2。

圖2 計(jì)算模型示意圖Fig.2 Calculation model

3 計(jì)算結(jié)果分析

從圍巖和初支受力等分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各施工步的開挖引起的內(nèi)力及地層變形不是很大，因此此處不針對(duì)各施工步進(jìn)行詳細(xì)分析，僅對(duì)六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工拆除臨時(shí)支撐前后工序進(jìn)行詳細(xì)分析，并對(duì)比3種施工方法的拆除臨時(shí)支撐后的狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表3。

表3 圍巖變形及支護(hù)內(nèi)力隨開挖步變化Table 3 Deformation of surrounding rock and Variety of supporting force with excavation step

3.1 圍巖豎向位移分析

圖3～圖4為六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工拆除臨時(shí)支撐前后的豎向位移云圖。從圖可以看出，拆除支撐前后豎向位移分別為2.06，7.01 cm，由此可知，雙線隧道C斷面采用六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，在拆除臨時(shí)支撐之前對(duì)圍巖的擾動(dòng)較小，比臺(tái)階法施工的單線隧道開挖引起的沉降稍大，但是拆除臨時(shí)支撐之后，地層沉降達(dá)6 cm，引起較大的地層沉降，因此采用六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，應(yīng)特別注意拆除臨時(shí)支撐時(shí)的安全。

對(duì)比圖5～圖6及表3，可知3種開挖方法最大位移分別為7.01，7.13 和8.74 cm，按 CRD 法施工時(shí)，豎向位移最大，而采用六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，由于對(duì)圍巖擾動(dòng)次數(shù)較九步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法少，其最大位移略小。

圖3 六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拆除支撐前豎向位移云圖Fig.3 Vertical displacement withsix－ step double sideway drift method before removing support

圖4 六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拆除支撐后豎向位移云圖Fig.4 Vertical displacement withsix－ step double sideway drift method after removing support

圖5 九步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拆除支撐后豎向位移云圖Fig.5 Vertical displacement with nine－ step double sideway drift method before removing support

圖6 CRD法拆除支撐后豎向位移云圖Fig.6 Vertical displacement with nine－ step double sideway drift method after removing support

3.2 單線隧道襯砌內(nèi)力

從表3可以看出，拆除臨時(shí)支撐后，3種施工方法單線隧道初支、二襯彎矩和軸力均增大，這和豎向位移的變化規(guī)律基本一致。對(duì)比3種施工方法，初支和二襯彎矩CRD法最小，九步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最大，這主要是由于CRD法施工步最少，對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)少;從表3還可以看出，CRD法施工時(shí)初支和二襯的軸力均較大，而六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工軸力最小。

3.3 雙線隧道襯砌內(nèi)力

從表3可以看出，拆除臨時(shí)支撐后，3種施工方法雙線隧道初支彎矩和軸力均增大，這和豎向位移以及單線隧道內(nèi)力的變化規(guī)律基本一致。對(duì)比3種施工方法，初支彎矩CRD法最小，九步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最大，這主要是由于CRD法施工步最少，對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)少，但相差幅值不大;從表3還可以看出，九步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)初支的軸力均較大，而六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工軸力最小。

3.4 中巖墻最大水平應(yīng)力

從表3可以看出，拆除臨時(shí)支撐后，3種施工方法單線隧道初支彎矩和軸力均增大，這和豎向位移以及單、雙線隧道內(nèi)力的變化規(guī)律基本一致。對(duì)比3種施工方法，CRD法施工對(duì)中巖墻影響最大，拆除臨時(shí)支撐后，CRD法中巖墻應(yīng)力增大1倍左右，而九步雙側(cè)壁導(dǎo)坑和六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工中巖墻內(nèi)力基本一致。

總的說(shuō)來(lái)，CRD法施工比九步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的地表沉降和最大位移矢量大，且導(dǎo)致單線隧道軸力增大很多，不利于襯砌安全，但由于采用CRD法對(duì)圍巖的擾動(dòng)較小，其彎矩等相應(yīng)也較小;相較九步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工引起地面位移基本相當(dāng)，其內(nèi)力稍大。因此，采用CRD法施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大?？傮w來(lái)說(shuō)，基本上可以采用六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工，在施工過(guò)程中要加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。

4 結(jié)論

(1)對(duì)雙線C型隧道，CRD法施工比九步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的地表沉降和最大位移矢量大，且導(dǎo)致單線隧道軸力增大很多，不利于襯砌安全，但由于采用CRD法對(duì)圍巖的擾動(dòng)較小，其彎矩等相應(yīng)也較小;相較九步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工引起地面位移基本相當(dāng)，其內(nèi)力稍大。因此，采用CRD法施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大?？傮w來(lái)說(shuō)，基本上可以采用六步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工。

(2)通過(guò)對(duì)比分析，當(dāng)施工拆除臨時(shí)支撐時(shí)，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布導(dǎo)致的圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力變化較大，增加幅度較大，在施工中要加強(qiáng)監(jiān)控。

(3)由于周圍建筑物情況復(fù)雜，幾種施工方法導(dǎo)致地面最大沉降均較大，在整個(gè)施工過(guò)程中，應(yīng)注意對(duì)周圍建筑物和路面的監(jiān)控量測(cè)和保護(hù)。

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Simulation analysis on construction methods of subsurface excavated subway tunnel with large span and super small interval

JIANG Biao1，2，XIAO Yan1，LI Ling-yi3

(1.School of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;2.Changsha City Orbit Traffic Group Limited Co.，Changsha 410011;3.Beijing Road and Bridge Construction Group Co.，Beijing 102206，China)

With the construction of shallow－buried－excavation tunnel of subway station parking section as the project background，the research studies the regularity about the displacements of surrounding rock and wall of rock in neighborhood tunnel，the stress and surface subsidence and so on with the finite difference professional software FLAC on the six－step double sideway drift method，nine－step double sideway drift method and CRD method.The results indicate that，using the six－step double sideway drift method can meet the demand of the construction control，and optimize the original design.

large span;super small interval;optimization;simulation

U455.4

A

1672－7029(2011)05－0046－05

2011－06－28

蔣 彪(1978－)，男，湖南湘陰人，博士研究生，從事隧道與地下工程、結(jié)構(gòu)工程研究