大斷面小凈距三孔隧道群施工順序研究

李金奎，魏賢科，梁文靜（大連大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧大連，116600）

大斷面小凈距三孔隧道群施工順序研究

近年來(lái)以地鐵建設(shè)為主的地下交通和地下空間的綜合利用得到了大力發(fā)展 ，地鐵隧道之間的凈距越來(lái)越小、斷面越來(lái)越大。大連地鐵河口站站后折返線隧道與高河區(qū)間地鐵正線隧道三線并行段，因受線路及地形地貌的限制，設(shè)計(jì)為大斷面小凈距隧道。為確保大連一期地鐵工程按期完工并考慮到隧道群開(kāi)挖對(duì)圍巖穩(wěn)定及周圍環(huán)境的影響，最后選取CRD法施工。對(duì)這種大斷面小凈距隧道群的開(kāi)挖提出了四種施工順序，并采用Soil-works有限元數(shù)值分析軟件分別對(duì)四種施工順序進(jìn)行施工過(guò)程模擬，以圍巖變形、洞周應(yīng)力、影響范圍分布為主要優(yōu)化指標(biāo)。模擬結(jié)果表明:以第三種施工順序?yàn)樽顑?yōu)，其中地表最大沉降量為4.5 mm，地表影響范圍為15.461 m，拱頂下沉值為24.96 mm等。該結(jié)果為高河區(qū)間地鐵隧道施工順序的選擇提供了科學(xué)依據(jù)，并為類似的工程提供了一定的借鑒和參考。

施工順序；大斷面小凈距隧道；圍巖變形；數(shù)值分析

李金奎，魏賢科，梁文靜
（大連大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧大連，116600）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以城市地鐵建設(shè)為主的地下交通和地下空間的綜合利用進(jìn)入了飛速發(fā)展時(shí)期。由于受地形地貌以及隧道分建帶來(lái)的展線困難與占地多等因素的影響，地鐵隧道之間的凈距越來(lái)越小、斷面越來(lái)越大，使得大斷面、小凈距［1-2］隧道的結(jié)構(gòu)形式不斷涌現(xiàn)。正是由于這種結(jié)構(gòu)型式的特殊性和新穎性，其在施工過(guò)程中群洞間的相互影響顯著，且隧道斷面大、扁平率低、圍巖穩(wěn)定性差，因此無(wú)論從設(shè)計(jì)還是施工角度，其結(jié)構(gòu)受力狀況都十分復(fù)雜，仍存在很多關(guān)鍵問(wèn)題需要解決［3］。

目前，有不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大斷面、小凈距隧道的施工方法［4-8］、施工順序［9］、力學(xué)機(jī)理［10-12］、埋深等方面進(jìn)行了相關(guān)的研究，逐步積累了一些經(jīng)驗(yàn)和成果，但是大都集中在單個(gè)大斷面隧道或雙線小凈距隧道方面，對(duì)于同時(shí)具備大斷面小凈距等條件的三孔隧道群的研究較少 ，研究成果更是不多見(jiàn)。因此依托大連市河口站站后折返線大斷面隧道與兩側(cè)區(qū)間小隧道工程項(xiàng)目，應(yīng)用MIDAS/Soil-Works有限元數(shù)值分析軟件進(jìn)行了不同施工順序的隧道施工過(guò)程模擬，最后對(duì)比分析選出最優(yōu)施工順序 ，保證隧道群施工的安全進(jìn)行并為類似工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

大連地鐵河口站折返線大斷面隧道，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度330.731 m。該隧道與兩側(cè)高河區(qū)間地鐵正線隧道在左DK22+380.00～左DK22+498.662、右DK22+ 399.00～DK22+520.00處為小凈距，小凈距范圍里程為DK0+199.366～DK0+313，共計(jì)約113.634 m。大斷面隧道為5心拱形，跨度為11.90 m，高度為9.702 m，拱頂距離地表最近距離為9.83 m；左右區(qū)間小隧道斷面亦為5心拱形，跨度為6.30 m，高度為6.51 m，拱頂距離地表為17 m。大小隧道相距3.854 m，豎向最小距離為1.824 m。超前支護(hù):拱頂120°范圍采用Φ42小導(dǎo)管（厚度 t=3.25 mm）并預(yù)注漿加固地層，根據(jù)地層情況選用改性水玻璃或水泥水玻璃漿液，小導(dǎo)管長(zhǎng)L=2.5 m，環(huán)向間距300 mm，傾角10°～15°，縱向間距1.0 m。初期支護(hù)采用C25早強(qiáng)網(wǎng)噴混凝土+鋼筋格柵，格柵間距0.5 m。采用雙層鋼筋網(wǎng)，規(guī)格Φ6.5@150 mm×150 mm。二次襯砌采用C30P10防水鋼筋混凝土。大斷面小凈距段結(jié)構(gòu)橫截面圖如圖1所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立與參數(shù)選取

采用二維巖土有限元數(shù)值分析與設(shè)計(jì)軟件MIDAS/Soil-Works進(jìn)行隧道數(shù)值模擬分析。應(yīng)用平面應(yīng)變彈塑性本構(gòu)模型、摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則和相關(guān)法則。通過(guò)設(shè)置不同開(kāi)挖步模擬隧道開(kāi)挖各階段并對(duì)各開(kāi)挖步在不同荷載增量步加設(shè)支護(hù)或二襯結(jié)構(gòu)來(lái)模擬支護(hù)施作時(shí)機(jī)的影響，由此達(dá)到模擬隧道開(kāi)挖施工過(guò)程的目的［13］。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，圍巖采用三邊形實(shí)體單元模擬，軟噴（初支）及硬噴（二襯）采用二維梁?jiǎn)卧M，小導(dǎo)管注漿加固等效為圍巖材料性質(zhì)的提高。建立模型尺寸長(zhǎng)×深=80 m×45 m，模型邊界條件采用左右及底部固定，上部自由。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1，計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

2.2 施工方案選定

就目前隧道施工技術(shù)水平來(lái)看，對(duì)于大斷面的開(kāi)挖方法有:全斷面法、臺(tái)階法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法（又稱“眼睛法”）等。在這些方法中全斷面法和臺(tái)階法開(kāi)挖面大，圍巖約束解除較快，要求施工工藝的銜接必須及時(shí)，不利于控制圍巖變形，施工質(zhì)量難以保證。而雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法開(kāi)挖隧道時(shí)同時(shí)采用中隔墻支護(hù)，加強(qiáng)了對(duì)圍巖的約束，能夠控制地面沉降及塑性區(qū)發(fā)展。但是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法工作面小、工藝復(fù)雜、施工緩慢，而CRD法工作面較大，有利于加快施工進(jìn)度［7］。

由于受地質(zhì)條件等多方面原因，隧道施工有所滯后，鑒于大連地鐵施工項(xiàng)目能否按期完成對(duì)后續(xù)整個(gè)地鐵的試運(yùn)行影響較大。綜合分析最后選取CRD法施工，而隧道群的施工順序?qū)λ淼绹鷰r相互影響起著至關(guān)重要的作用。不同的施工順序相互影響程度不同，合理的工序?qū)θ憾此淼赖姆€(wěn)定尤為重要［14］。如何將隧道施工相互間及對(duì)周圍環(huán)境的影響降低到可接受程度，是城市暗挖隧道施工面臨的挑戰(zhàn)［15］。大連地鐵河口站202折返線大斷面小凈距淺埋疊落三孔隧道群施工項(xiàng)目，以圍巖變形、應(yīng)力分布及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等為優(yōu)化指標(biāo)提出四種施工順序:依次如圖3中數(shù)字所示。

3 結(jié)果分析

3.1 大斷面隧道拱頂沉降分析

在四種順序各階段模擬過(guò)程中，大斷面隧道拱頂下沉在自重平衡、開(kāi)挖、初支、二襯施工階段變形曲線如圖4所示。從圖4中可以看出大斷面隧道不同施工順序沉降量變化較大的兩個(gè)關(guān)鍵施工階段分別發(fā)生在隧道左上部和隧道右上部開(kāi)挖階段。工序一、工序四的拱頂最終沉降量分別為33.71 mm、33.94 mm超過(guò)了沉降容許值（30 mm）。工序二、工序三的拱頂沉降量分別為25.61 mm、24.96 mm，都在容許值以內(nèi)。工序二、工序三的拱頂各階段沉降量相對(duì)于另外兩種工序都較小。工序三中大斷面隧道左上開(kāi)挖沉降9.48 mm占總沉降量的28%，左下開(kāi)挖沉降10.33 mm占總沉降量的52%。關(guān)鍵施工階段的沉降量占總的沉降量的80%，是隧道施工過(guò)程中的最大風(fēng)險(xiǎn)源，需要現(xiàn)場(chǎng)施工及監(jiān)測(cè)人員密切關(guān)注做到及時(shí)支護(hù)，避免發(fā)生危險(xiǎn)。

3.2 地表下沉及影響范圍分析

不同施工順序?qū)Φ孛娴挠绊懸膊幌嗤?，四種工序的地表沉降、發(fā)生位置及地表范圍見(jiàn)表2。工序三地表沉降量為4.50 mm，工序一、工序二、工序四分別是其1.86倍、1.31倍、1.93倍，工序三地表影響范圍為15.461 m，工序一、工序二、工序四分別是其2.11倍、2.38倍、1.54倍。以第三種施工順序進(jìn)行隧道群的開(kāi)挖對(duì)地層的擾動(dòng)程度最小 ，能有效減小隧道開(kāi)挖對(duì)周圍建筑物及地下設(shè)施的影響。

3.3 圍巖應(yīng)力分析

從表3中可以看出，不同施工順序?qū)λ淼廊旱南嗷ビ绊懗潭炔灰粯?，工序三大斷面隧道頂部最大主?yīng)力為483.3 kN/m2，左右隧道最大主應(yīng)力分別為274.6 kN/m2、263.2 kN/m2，而其它三種工序相對(duì)較大。說(shuō)明以工序三進(jìn)行隧道群開(kāi)挖過(guò)程中，地層應(yīng)力能夠得到一定程度的釋放、快速達(dá)到平衡狀態(tài)使得應(yīng)力集中程度相對(duì)于另外三種施工順序小，有利于隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、保障施工人員的安全。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

由于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件與數(shù)值模擬軟件中設(shè)定的地層及支護(hù)參數(shù)有一定的差異，且在數(shù)值模擬當(dāng)中沒(méi)有考慮到水的作用，使得實(shí)際施工中圍巖變形、應(yīng)力大小與數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果有所區(qū)別。因此，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形及應(yīng)力進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，為優(yōu)化施工順序提供支持。

大連地鐵河口站站后折返線大斷面小凈距隧道群自2013年6月1日開(kāi)始施工，至2014年4月結(jié)束。選取HKD-DB-01～05大斷面隧道施工期間拱頂下沉監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（如圖5所示）與數(shù)值模擬（圖4）相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。從圖4、圖5中可以看出大斷面拱頂沉降量稍大于數(shù)值分析結(jié)果，而且變形規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。其結(jié)果驗(yàn)證了MIDAS數(shù)值分析軟件的可靠性并能夠很好的為大連地鐵一號(hào)線后續(xù)標(biāo)段的施工提供良好的超前預(yù)報(bào)。

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)大連地鐵河口站站后折返線大斷面隧道與兩側(cè)區(qū)間小凈距隧道施工過(guò)程的數(shù)值模擬，確定了隧道群施工過(guò)程中的兩個(gè)關(guān)鍵施工階段，為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、支護(hù)時(shí)機(jī)提供依據(jù)。

（2）針對(duì)大連地鐵隧道群施工難度高、環(huán)境復(fù)雜、工期長(zhǎng)、工序繁瑣的特點(diǎn)，采用CRD工法，分別從圍巖變形、應(yīng)力分布及地表影響范圍等角度出發(fā)分析四種施工順序，得出第三順序相對(duì)另外三種為最優(yōu) ，其中地表最大沉降量為4.5 mm，地表影響范圍為15.461 m，拱頂下沉值為24.96 mm，最大最小主應(yīng)力也是最小的 ，減小了隧道群開(kāi)挖對(duì)地層的擾動(dòng)及對(duì)周圍建筑物和地下設(shè)施的影響，較早的達(dá)到平衡狀態(tài)。

（3）本文應(yīng)用MIDAS/Soil-works數(shù)值模擬軟件對(duì)大斷面小凈距三孔隧道群進(jìn)行了施工過(guò)程模擬，指導(dǎo)了該工程的順利完成，取得了較好的實(shí)際效果，同時(shí)也驗(yàn)證了此軟件的可靠性并能夠很好的為大連地鐵一號(hào)線后續(xù)標(biāo)段的施工提供良好的超前預(yù)報(bào)。建議采用CRD法施工的類似地鐵隧道工程采用第三種施工順序，這也對(duì)其它工程具有一定的借鑒和參考價(jià)值。

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Study on the Construction Sequence of Triple Tunnels with Large Section and Small Spacing

LI Jin-kui，WEI Xian-ke，LIANG Wen-jing
（Civil and Architectural Engineering College，Dalian University，Dalian，Liaoning 116600，China）

In recent years，Comprehensive utilization of underground traffic and underground space in subway construction has been greatly developed.The distance between subway tunnels and the size of crossing sections become smaller. Restricted by lines and landform，the return line of the Hekou station tunnel and the parallel three-line section in Gaohe area were designed with large sections and small spacings.In order to ensure that the Dalian subway project will be completed on schedule with the consideration of the influence on the stability of the surrounding rocks and environment caused by the tunnel excavation，CRD method was selected for the construction.Four kinds of construction sequences were proposed and simulated respectively by adopting the finite element software Soil-works with the deformation of the surrounding rocks，dome stress，and the distribution of influence sphere as the main optimizing indexes.The simulation results showed that:the third construction sequence was optimal，with the maximum surface subsidenceof 4.50 mm，the influence sphere on ground surface of 15.461 m，and the crown settlement of 24.96 mm.The results provide the scientific basis for the selection of subway tunnel construction sequence，and some references for the similar engineering projects.

construction sequence；large section and small spacing tunnels；deformation of surrounding rocks；numerical analysis

TU457

A

1672—1144（2015）02—0033—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.008

2014-11-01

2014-12-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“深部巷道破碎圍巖錨殼噴支護(hù)機(jī)理研究”（50704007）

李金奎（1972—），男 ，黑龍江安達(dá)人 ，博士研究生 ，教授 ，主要從事隧道及地下工程方面的教學(xué)和科研工作。E-mail:jinkee@126.com