地鐵大跨度隧道垂直挑頂施工中的圍巖力學(xué)分析

陳佳瑋 李元海 劉 毅

(1.重慶電力高等?？茖W(xué)校, 400053, 重慶； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 221116， 徐州； 3.中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心， 430040， 武漢∥第一作者， 工程師)

0 引言

地鐵長(zhǎng)大隧道建設(shè)受城市復(fù)雜的地面、地下環(huán)境限制，往往不具備明挖或暗挖豎井的條件，因此，通常采用向區(qū)間隧道中部開(kāi)挖斜井挑頂進(jìn)洞、從正洞向區(qū)間兩端開(kāi)挖的施工方案，以增加工作面、滿足施工工期要求。由于斜井與正洞交叉地段的圍巖受力情況復(fù)雜、安全隱患大，二者的轉(zhuǎn)換施工往往是工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]?，F(xiàn)有研究主要對(duì)斜井進(jìn)洞的施工方法、圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)等方面[2-4]進(jìn)行研究，如文獻(xiàn)[2]介紹了鄭西鐵路客運(yùn)專線函谷關(guān)隧道較早采用垂直挑頂?shù)氖┕すに嚨?。此外，部分學(xué)者利用數(shù)值模擬，探討了挑頂隧道的圍巖應(yīng)力及位移情況，為設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)[5-7]，如文獻(xiàn)[5]通過(guò)對(duì)鄭西客運(yùn)專線大斷面隧道挑頂施工進(jìn)行數(shù)值分析，認(rèn)為臺(tái)階上的支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密度直接影響隧道圍巖位移分布。

上述研究大多針對(duì)公路和鐵路隧道，而針對(duì)城市復(fù)雜施工條件下，對(duì)環(huán)境影響和變形控制要求較高的地鐵隧道斜井進(jìn)洞的研究較少。本文以深圳地鐵2號(hào)線新秀站—蓮塘口岸站區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱“新蓮區(qū)間”)隧道斜井進(jìn)正洞段為研究對(duì)象，提出了適用于地鐵工程軟弱圍巖中大跨度隧道垂直挑頂開(kāi)挖的施工技術(shù)，并采用FLAC3D軟件對(duì)該區(qū)間的挑頂施工全過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算和分析，驗(yàn)證該施工方法的合理性。

1 工程簡(jiǎn)介

新蓮區(qū)間隧道長(zhǎng)度為491.05 m，采用礦山法施工，斷面支護(hù)采用錨網(wǎng)噴復(fù)合式襯砌。斜井與正洞的襯砌斷面如圖1所示，支護(hù)措施如表1所示。

a) 斜井的橫斷面

表1 新蓮區(qū)間隧道斷面支護(hù)措施及參數(shù)Tab.1 Section support measures and parameters of Xinlian interval tunnel

新蓮區(qū)間隧道處于丘陵地帶，地形起伏交錯(cuò)，地面高程為20～70 m，隧道埋深為18～87 m。該區(qū)間穿過(guò)的地層多為中、微風(fēng)化石英砂巖，巖石風(fēng)化、破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，地下水主要為基巖裂隙滲水。

該隧道在線路右側(cè)設(shè)置了1處臨時(shí)斜井，采用礦山法施工。斜井穿過(guò)強(qiáng)、中風(fēng)化巖地層進(jìn)入正洞隧道時(shí)，斜井?dāng)嗝婧驼磾嗝娴某叽绮罹噍^大，施工難度顯著增加。

2 施工方法

針對(duì)上述工程的施工難點(diǎn)，本文提出大跨度隧道斜井進(jìn)正洞的施工方法，包括以下施工步驟：

1) 對(duì)交叉口加強(qiáng)支護(hù)。該工程的交叉口斷面如圖2 a)所示，在斜井距正洞7.0 m的區(qū)段內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)，交叉口處施工超前支護(hù)。正洞和斜井加強(qiáng)環(huán)最外側(cè)之間采用仰拱鋼架焊接，將正洞仰拱襯砌鋼筋與斜井仰拱襯砌中的預(yù)埋鋼筋連接，以確保正洞和斜井交叉口處共同受力。

a) 交叉口斷面

2) 采用導(dǎo)洞方式挑頂進(jìn)洞。挑頂開(kāi)挖至正洞拱頂，水平開(kāi)挖至正洞左拱腰，使正洞拱架有穩(wěn)定基礎(chǔ)。小導(dǎo)洞斷面(見(jiàn)圖2 b))的寬度為3.5 m、高度為5.0～6.5 m，在導(dǎo)洞頂部設(shè)置雙排超前小導(dǎo)管，采用全斷面注漿對(duì)掌子面前方的圍巖進(jìn)行加固。

3) 安裝正洞拱架。導(dǎo)洞施工完畢后，在導(dǎo)洞內(nèi)安裝正線拱架并進(jìn)行初期支護(hù)，待支護(hù)達(dá)到強(qiáng)度后再進(jìn)行正洞開(kāi)挖。

4) 正洞施工。按雙側(cè)壁導(dǎo)洞法施工正線隧道。先施工小里程段，后施工大里程段，在交叉口處往大里程方向施工40.0 m后，再進(jìn)行兩端同步開(kāi)挖。

在斜井與正洞交叉口處設(shè)置加強(qiáng)支護(hù)，末端設(shè)置門架，縱向設(shè)置連接板，可增強(qiáng)交叉口處結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有效解決斜井及正線斷面尺寸差距大的問(wèn)題。但該施工方案對(duì)圍巖擾動(dòng)次數(shù)較多，交叉區(qū)域應(yīng)力情況復(fù)雜，挑頂施工存在一定風(fēng)險(xiǎn)。為此，需要進(jìn)一步分析該施工過(guò)程中圍巖的力學(xué)特征，以驗(yàn)證該施工方法的安全性與有效性。

3 數(shù)值分析模型

3.1 建立數(shù)值模型

依據(jù)新蓮區(qū)間的工程實(shí)際，本文建立了斜井進(jìn)正洞挑頂施工的三維計(jì)算模型，如圖3所示。

圖3 新蓮區(qū)間斜井進(jìn)正洞挑頂施工的數(shù)值模型Fig.3 Numerical model of inclined shaft into the main hole propping construction in Xinlian interval tunnel

3.2 力學(xué)參數(shù)

隧道圍巖采用彈塑性材料模型，其計(jì)算參數(shù)如表2所示，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。襯砌利用Shell單元模擬，錨桿采用Cable單元模擬。

表2 數(shù)值模型采用的巖層計(jì)算參數(shù)Tab.2 Calculation parameters of the rock formation used in the numerical model

3.3 施工過(guò)程模擬與監(jiān)測(cè)布置

斜井進(jìn)正洞挑頂施工的實(shí)際施工流程及與之對(duì)應(yīng)的模擬計(jì)算施工步如圖4所示。在交叉段布置了8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選取距交叉段中線處左側(cè)2 m處作為正洞監(jiān)測(cè)斷面(以下簡(jiǎn)稱“測(cè)面”)，并在測(cè)面上布置測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)6。如圖5所示，測(cè)點(diǎn)1為斜井拱頂測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)7為正洞拱頂測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3為斜井拱腰測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)6和測(cè)點(diǎn)8為拱腰測(cè)點(diǎn)。

注：施工過(guò)程模擬中的數(shù)字用以表述具體的模擬計(jì)算施工步。圖4 斜井進(jìn)正洞挑頂?shù)氖┕ち鞒碳皩?duì)應(yīng)的模擬計(jì)算步Fig.4 Process of inclined shaft into positive hole propping construction and corresponding simulation calculation step

圖5 交叉段內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.5 Layout of the measurement points in cross section

4 模擬計(jì)算結(jié)果分析

4.1 交叉段的圍巖應(yīng)力變化情況

圖6為各測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力變化情況，其中：取拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，正洞右側(cè)為靠近斜井一側(cè)。由圖6可知：① 正洞左右拱腰處、斜井左右拱腰處測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力呈現(xiàn)非對(duì)稱分布特點(diǎn)。正洞開(kāi)挖后，圍巖的最大主應(yīng)力差值持續(xù)擴(kuò)大，在正洞右拱腰處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，且正洞后期的開(kāi)挖次序?qū)π本膽?yīng)力變化產(chǎn)生影響；② 落斜井坡道和挑頂段下臺(tái)階的施工使得斜井拱腰處及正洞右拱腰處的應(yīng)力突然增大，這說(shuō)明交叉段分臺(tái)階開(kāi)挖、預(yù)留下臺(tái)階的施工措施可以改善圍巖的應(yīng)力分布，在落斜井坡道和挑頂段下臺(tái)階的施工時(shí)應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)；③ 拱頂開(kāi)挖后，拱頂處的壓應(yīng)力突降，有產(chǎn)生拉應(yīng)力的趨勢(shì)，而之后的施工對(duì)拱頂應(yīng)力分布影響有限，需要在拱頂施工前加固該處圍巖。

圖6 交叉段圍巖最大主應(yīng)力變化曲線Fig.6 Maximum principal stress change curve of intersecting section surrounding rock

圖7為交叉段圍巖應(yīng)力影響范圍示意圖。由圖7可知，挑頂后交叉段圍巖應(yīng)力松弛范圍明顯減少，這說(shuō)明小導(dǎo)洞挑頂對(duì)圍巖控制效果較佳。

a) 挑頂前

4.2 交叉段的圍巖位移變化情況

4.2.1 拱頂沉降

圖8為交叉段拱頂3個(gè)測(cè)點(diǎn)豎向位移隨計(jì)算施工步的變化情況，其中，負(fù)值表示發(fā)生了向下方向的位移。從圖8可知：在計(jì)算步1-8～2-1和2-6～3-2中，拱頂各測(cè)點(diǎn)的沉降量快速增加，其增量分別占總沉降量的35.1%和21.1%，這說(shuō)明斜井開(kāi)挖和兩側(cè)擴(kuò)挖施工對(duì)斜井拱頂沉降的影響最大；在計(jì)算施工步2-1～3-2中，挑頂段拱頂?shù)某两盗吭诳偝两盗恐械恼急葹?4.1%，這說(shuō)明挑頂和兩側(cè)擴(kuò)挖施工對(duì)挑頂段拱頂沉降的影響最大。隨著正洞左右側(cè)開(kāi)挖，各測(cè)點(diǎn)拱頂沉降略增并趨于平緩。

圖8 交叉段拱頂沉降變化曲線Fig.8 Variation curve of vault settlement in intersecting section

4.2.2 拱腰水平位移

圖9為測(cè)面上拱腰處各測(cè)點(diǎn)的水平位移情況，其中，水平位移取正值表示拱腰向內(nèi)側(cè)變形。由圖9可知：① 在正洞兩側(cè)擴(kuò)挖和正洞左右側(cè)開(kāi)挖前期，交叉段正洞左拱腰(測(cè)點(diǎn)8)的水平位移均明顯增大，施工時(shí)應(yīng)對(duì)該處加強(qiáng)支護(hù)和監(jiān)測(cè)；② 正洞左右側(cè)前期開(kāi)挖對(duì)正洞測(cè)面的拱腰水平收斂(測(cè)點(diǎn)6的水平位移減去測(cè)點(diǎn)5的水平位移)的影響較大，正洞右側(cè)后續(xù)開(kāi)挖對(duì)測(cè)面水平位移的影響較小，且在落正洞下臺(tái)階時(shí)正洞測(cè)面的拱腰處水平收斂突然減小；③ 斜井水平收斂(測(cè)點(diǎn)2的是水平位移減去測(cè)點(diǎn)3的水平位移)在落預(yù)留坡道和落正洞下臺(tái)階時(shí)突然反向增加，水平方向的變形由向外微擴(kuò)變?yōu)橄騼?nèi)收斂。對(duì)應(yīng)圖6的應(yīng)力分析結(jié)果，交叉處的斜井(測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，建議在對(duì)該區(qū)域進(jìn)行施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，減緩施工速度，并加強(qiáng)支護(hù)。

圖9 測(cè)面上拱腰處各測(cè)點(diǎn)的水平位移變化曲線Fig.9 Horizontal displacement change curve of each measurement point on arched waist surface

4.3 圍巖塑性區(qū)變形情況分析

分析斜井進(jìn)洞挑頂施工過(guò)程圍巖的變形情況，可得到以下結(jié)論：在挑頂施工過(guò)程中，掌子面圍巖受剪切破壞嚴(yán)重，且斜井拱頂圍巖和挑頂區(qū)域正洞拱頂圍巖的塑性區(qū)基本貫通，施工時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以深圳地鐵2號(hào)線新蓮區(qū)間隧道垂直挑頂施工為依托，通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)地鐵大跨度隧道垂直挑頂施工中的圍巖進(jìn)行了力學(xué)綜合分析。在該工程的垂直挑頂實(shí)際施工中，耗時(shí)約45 d完成了斜井進(jìn)洞，取得了較好的變形控制效果，保證了施工安全?；谠摴こ痰氖┕そ?jīng)驗(yàn)，本文提出大跨度隧道垂直挑頂開(kāi)挖施工方法，并給出施工應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域及改進(jìn)建議：

1) 挑頂開(kāi)挖施工對(duì)正洞拱頂處和斜井拱頂處的圍巖應(yīng)力影響較大，右側(cè)斜井開(kāi)挖施工使正洞右拱腰壓應(yīng)力集中，正洞開(kāi)挖順序造成斜井拱腰處應(yīng)力分布不對(duì)稱。挑頂區(qū)域分臺(tái)階開(kāi)挖，可有效改善該區(qū)域的圍巖應(yīng)力分布。

2) 落斜井坡道和正洞下臺(tái)階時(shí)斜井拱腰水平收斂發(fā)生突變，應(yīng)作為施工的關(guān)注重點(diǎn)。

3) 挑頂開(kāi)挖導(dǎo)致正洞和斜井拱頂處圍巖的塑性區(qū)貫通，在落斜井坡道和正洞下臺(tái)階時(shí)，該塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展，存在圍巖垮塌風(fēng)險(xiǎn)。該區(qū)段應(yīng)作為施工的關(guān)鍵部位，需加強(qiáng)支護(hù)，并減緩施工速度，以確保施工安全。