地鐵隧道下穿南明河方案比選分析

廖玉

摘? ? 要：隧道下穿南明河有兩種預(yù)備施工方案，分別為懸臂掘進(jìn)機(jī)銑挖施工與鉆爆施工。為了研究哪一種施工方案更適合進(jìn)行施工，采用數(shù)值模擬的方法對這兩種施工方案進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，選取施工過程中的位移、應(yīng)力和速度等結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)而分析采用這兩種施工方案之間的區(qū)別。利用專業(yè)有限元軟件MIDAS/GTS NX建立三維數(shù)值模型，對兩種不同的開挖方法進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬所得到的結(jié)果得出最優(yōu)的開挖方案。

關(guān)鍵詞：隧道;懸臂掘進(jìn)機(jī);鉆爆;數(shù)值模擬

1? 引言

在我國西南地區(qū)，修建城市隧道等工程過程中，絕大多數(shù)采用鉆爆法修建暗挖隧道，但是在城市中，鉆爆法施工存在振動(dòng)大、噪音大的問題，對市民生活有較大影響，且難以通過有效的方法來解決，因此，探討新的施工方式勢在必行[1-4]。貴陽軌道交通1號線在施工過程中，工程區(qū)間隧道南明河段采用爆破開挖對周邊環(huán)境影響大，市民反應(yīng)強(qiáng)烈且安全風(fēng)險(xiǎn)高。區(qū)間隧道穿越巖質(zhì)地層施工初期采用毫秒微差起爆和改進(jìn)的秒差雷管起爆，有效降低了地震波振速峰值，極大地減少了對地表建筑物的振動(dòng)影響。但由于區(qū)間隧道爆破施工的特點(diǎn)及其本身的局限性，爆破振動(dòng)及爆破施工引起的環(huán)境噪音問題突出，市民反應(yīng)強(qiáng)烈。為解決施工中存在爆破擾動(dòng)大、風(fēng)險(xiǎn)高的問題，施工中分別對懸臂式掘進(jìn)機(jī)[5-14]施工和鉆爆法兩種方案進(jìn)行對比分析，從而得到最優(yōu)的施工方案，對城市隧道下穿河流懸臂掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)研究意義重大。

2? 工程背景

中山路站～人民廣場站區(qū)間全長約719m（YDK23+887.850～YDK24+607.055），此間隧道下穿越名族路后到達(dá)南明河河道區(qū)域，右線下穿的長度約190m（YDK24+330～YDK24+520），左線下穿長度約240m（ZDK24+320～ZDK24+560）。此間隧道穿過南明河后進(jìn)人民廣場站。南明河的上方有合一橋和協(xié)力橋來連結(jié)筑城廣場與彼岸，橋梁的樁基在河岸，未設(shè)橋樁于河中;有一翻板壩設(shè)于河道中部，分流管道安放于河中西至東岸。下穿段隧道為間距13m左右，結(jié)構(gòu)凈距約6m，洞頂巖石厚度最小約為7.8m的單洞單線的結(jié)構(gòu)。

3? 區(qū)間隧道施工問題及施工方案

3.1? 施工問題

從以上對中人區(qū)間隧道的工程概況與地質(zhì)條件分析可以看出，在施工過程中，此區(qū)間隧道存在較大的施工難度，主要有以下問題：①中人段下通南明河，并且在水流上部區(qū)域，最小的埋深僅為9m;有一翻板壩設(shè)于河水中部。中人區(qū)間隧道洞頂?shù)膸r層厚度最小約為7.8m。

3.2? 施工方案

為了保證中人區(qū)間段能夠高效順利的作業(yè)，目前有兩種方案，分別是鉆爆法和懸臂掘進(jìn)機(jī)施工。（1）鉆爆法施工：中人區(qū)間隧道剖面為標(biāo)準(zhǔn)剖面，鉆爆時(shí)，采用臺階法弱爆破。（2）懸臂掘進(jìn)機(jī)施工：采用臺階法施工時(shí)，區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)開挖隧道斷面尺寸為6.7m（寬）×7.2m（高），面積達(dá)到39.7㎡，區(qū)間隧道的凈空尺寸為6.2m（寬）×6.6m（高），臺階法主要施工工序?yàn)椋荷吓_階開挖支護(hù)-下臺階開挖支護(hù)-仰拱開挖支護(hù)。上臺階初期支護(hù)形成后立即對其注漿加固，區(qū)間二襯緊跟初期支護(hù)封閉成環(huán)。

4? 隧道施工掘進(jìn)方案比選分析

4.1? 鉆爆法施工影響分析

（1）區(qū)間隧道爆破施工方案。針對中人區(qū)間的過程概況、地質(zhì)情況、周邊環(huán)境等，參考貴陽市軌道交通1號線地下工程鉆爆施工已有的經(jīng)驗(yàn)，利用減振降噪技術(shù)，科學(xué)合理的進(jìn)行施工，進(jìn)而提出鉆爆辦法。以已有的規(guī)范為基礎(chǔ)，鉆爆施工參考GB 6722—2011《爆破安全規(guī)程》。中人區(qū)間隧道施工過程中，地表的構(gòu)筑物多為磚混結(jié)構(gòu)造，參考GB 6722—2011《爆破安全規(guī)程》爆破振動(dòng)安全允許振速取3cm/s。根據(jù)隧道周邊的圍巖等級、單洞單線暗挖斷面開挖總面積以及隧道所處的周邊環(huán)境，本次施工采用上下臺階法開挖方式進(jìn)行施工。鉆爆法爆破時(shí)用YT-28手持風(fēng)鉆進(jìn)行打眼，鉆孔直徑為φ45mm;通過起爆器引爆非電毫秒雷管進(jìn)行起爆，炸藥的類型選用φ32mm的2號巖石乳化炸藥，雷管的類型選用國產(chǎn)Ⅱ系列1～15段單數(shù)段非電毫秒雷管。

參考貴陽同類地質(zhì)、相同斷面地鐵區(qū)間鉆爆施工的經(jīng)驗(yàn)，以及中人區(qū)間隧道的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)時(shí)選擇合適的鉆爆參數(shù)，然后在區(qū)間隧道試爆，同時(shí)對振速進(jìn)行監(jiān)測，然后對鉆爆參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直到鉆爆的效果與爆破的振速達(dá)到要求。由于此段隧道地表有較多的構(gòu)筑物，所以用減振措施“短進(jìn)尺、弱爆破”來確定爆破施工。起爆順序：掏槽眼→輔助眼→內(nèi)圈眼→周邊眼→底板眼。

根據(jù)前期勘察結(jié)果可知：中人區(qū)間隧道穿越的巖層主要為白云巖和泥質(zhì)石灰?guī)r，圍巖較為完整，并且?guī)r石的強(qiáng)度較高，采用光面爆破施工。在單洞單線暗挖隧道區(qū)間，施工時(shí)采用臺階法開挖，上、下臺階開挖循環(huán)進(jìn)尺要控制在1m左右，在爆破施工的過程中，為了減少對地表的振動(dòng)影響以及圍巖的擾動(dòng)，應(yīng)嚴(yán)格控制每循環(huán)的進(jìn)尺，使用減輕振動(dòng)掏槽技術(shù)，雷管段別要提高，減少單段的最大裝藥量，炮眼不宜過深，裝藥不要耦合。

（2）爆破影響的數(shù)值模擬。MIDAS/GTS NX在進(jìn)行振動(dòng)分析時(shí)通過曲面彈簧定義彈性邊界。計(jì)算彈簧系數(shù)的方式較多，MIDAS/GTS NX在算爆破施工振動(dòng)時(shí)，使用的是本國的鐵道規(guī)范中的地基反力系數(shù)的計(jì)算方式[15]。

（3）鉆爆施工數(shù)值模擬結(jié)果分析。采用鉆爆法施工時(shí)，圖1和圖2分別為水平與豎向的速度時(shí)程曲線。由圖1可知，水平方向的振速最大為1.25cm/s，在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，之后速度急劇下降，在2.5s以后，速度漸漸消失;由圖2可知，豎直方向的振速最大為3.5cm/s，豎直方向的最大振速超出規(guī)范值，從2s以后，振速逐漸消失;從豎直和水平方向速度對比來看，振動(dòng)速度水平方向小于豎直方向。

圖3和圖4分別為水平位移時(shí)程與豎向位移時(shí)程曲線。對于同一個(gè)特征點(diǎn)，由于爆破所產(chǎn)生的變形會在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，而且隨著時(shí)間的增加，變形會逐漸減小直至為零。由圖3可得，水平方向的最大瞬時(shí)位移為7.92mm，由圖4可得，豎向瞬時(shí)位移最大值為6.86mm，兩個(gè)方向的最大瞬時(shí)位移差別較小。

4? 豎向位移時(shí)程曲線

圖5和圖6分別為爆破開挖后的X方向與Z方向應(yīng)力云圖。從圖5中可以看出，隨著爆破荷載的作用，拱頂位置的應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，其余位置以壓應(yīng)力為主，壓應(yīng)力最聚積的地方為拱頂和仰拱之下，最大值為0.78MPa。在由圖6可以顯示，與其他部位相比，邊墻和拱腰部位全布表現(xiàn)是壓應(yīng)力且明顯較大，最大值為1.4MPa。

4.2? 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工影響分析

（1）模型及模型參數(shù)。依據(jù)彈性力學(xué)和巖石力學(xué)相關(guān)知識可知，隧道開挖對圍巖應(yīng)力狀態(tài)的影響區(qū)域?yàn)樗淼篱_挖輪廓線外3倍洞室寬度。根據(jù)地表的實(shí)際情況模型的大小取水平（X軸）方向?yàn)?00m，巖軸線（Y軸）方向?yàn)?5m，豎直（Z軸）方向?yàn)?0m。靜力狀況下，只考慮巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)在自重條件下隧道開挖的影響，不考慮構(gòu)造應(yīng)力的作用，所以模型的四周邊界設(shè)置為水平約束，底面邊界設(shè)置為水平和豎直約束。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果及分析。在懸臂掘進(jìn)機(jī)銑挖法施工下，圖7和圖8為豎向位移與橫向位移的云圖。通過圖7觀察，拱頂和仰拱處，豎向位移出現(xiàn)最值，豎向位移總體趨勢表現(xiàn)為拱頂下沉和仰拱向上凸起，拱頂最大沉降值為6.27mm，仰拱最大凸起值為6.97mm;由圖8可以看出，隧道的橫向最大位移值為1.59mm出現(xiàn)在拱腰;豎向位移的變化都大于橫向位移的變化，因此在施工過程中要重視拱部區(qū)域的支護(hù)情況，橫向位移和豎向位移的變化值都在允許的范圍之內(nèi)。

懸臂掘進(jìn)機(jī)銑挖法施工下，圖9為施工后的X方向應(yīng)力云圖，圖10為施工后的Z方向應(yīng)力云圖。由圖可以得出，在懸臂掘進(jìn)機(jī)施工下，主應(yīng)力最大的地方出現(xiàn)在隧道拱頂部位和左右兩側(cè)拱腳處，其中拱頂處最大應(yīng)力值為21.08KPa;從隧道其他區(qū)域的主應(yīng)力數(shù)值變化來看，懸臂掘進(jìn)機(jī)銑挖施工情況下，應(yīng)力的變化都在合理范圍內(nèi)。

由圖11可以看出，圍巖的仰拱和拱頂處為塑性區(qū)主要聚集部位，采用臺階法開挖時(shí)，上臺階挖掘過程中，塑性區(qū)主要在拱頂，隨著挖掘的進(jìn)行，塑性區(qū)向兩側(cè)轉(zhuǎn)移，且逐漸變小，挖掘完成后，塑性區(qū)主要在仰拱處。

4.3? 鉆爆法及懸臂掘進(jìn)機(jī)施工的對比分析

通過數(shù)值模擬分析懸臂掘進(jìn)機(jī)銑挖法施工和鉆爆法施工的結(jié)果，來選出更適合中人區(qū)間的施工方案。表1為兩種方案施工下的位移變化情況。由表可以看出，懸臂掘進(jìn)機(jī)施工條件下的各個(gè)方向的位移都小于鉆爆法施工各個(gè)方向的位移，其中，水平方向位移差別較大，銑挖施工利用懸臂掘進(jìn)機(jī)更有優(yōu)勢。表2為特征點(diǎn)主應(yīng)力對比情況。由表可得，采用鉆爆法施工的主應(yīng)力遠(yuǎn)大于懸臂掘進(jìn)機(jī)施工的主應(yīng)力，其中懸臂掘進(jìn)機(jī)施工的最大主應(yīng)力值為21.1kPa，鉆爆法施工的主應(yīng)力最大值為562.7kPa。

5? 結(jié)論

通過數(shù)值模擬分析對比可得，從位移的角度來看，采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工，各個(gè)特征點(diǎn)的位移值小于鉆爆法施工的位移;從應(yīng)力的角度來看，鉆爆法開挖的應(yīng)力值遠(yuǎn)大于懸臂掘進(jìn)機(jī)施工的應(yīng)力值;在鉆爆法施工條件下，從振速來看，水平方向的振速最大為1.25cm/s，豎直方向的振速最大為3.5cm/s，由此可以看出，水平方向振速在允許的范圍內(nèi)，而豎直方向速度則大于規(guī)范值3cm/s，對地表產(chǎn)生的擾動(dòng)較大;所以綜合來看，懸臂掘進(jìn)機(jī)來施工明顯優(yōu)于鉆爆法。

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