淺埋暗挖矩形隧道施工方案比選研究

申玉生,，何尉祥,，趙 樂，何永輝

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，成都 610031)

摘 要：針對(duì)某新建地鐵淺埋暗挖矩形隧道的工程特點(diǎn),，采用FLAC3D軟件對(duì)各導(dǎo)洞不同開挖順序的施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬。通過對(duì)比分析地表沉降,、隧道拱頂沉降,、底板隆起位移、初期支護(hù)內(nèi)力等指標(biāo),，尋求區(qū)間隧道周邊地層變形及結(jié)構(gòu)受力的特點(diǎn)和規(guī)律,，從而選出最優(yōu)的施工方案。研究表明：矩形隧道斷面6導(dǎo)洞(先中間后兩邊)非對(duì)稱開挖順序可有效控制地層變形和結(jié)構(gòu)受力,；地鐵區(qū)間隧道地表沉降曲線呈現(xiàn)“凹槽”形狀,，在隧道橫斷面方向影響范圍約為4倍開挖跨度，掌子面開挖過后監(jiān)測(cè)斷面處地表沉降量所占比例約為60%,；隧道拱頂沉降和底板隆起位移大部分發(fā)生在掌子面位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)前后10 m范圍內(nèi),，各導(dǎo)洞開挖順序?qū)χёo(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較小,；工程應(yīng)用實(shí)踐表明采用推薦的6導(dǎo)洞施工方案是安全可行的,。

關(guān)鍵詞：地鐵,；淺埋隧道；矩形隧道,；開挖順序,；數(shù)值模擬；施工方案

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,，城市的建設(shè)規(guī)模也迅速擴(kuò)大,，近年來以隧道形式穿越公路、鐵路及其他構(gòu)筑物的工程逐漸增多[1-5],。如深圳地鐵重疊隧道,、廣州地鐵3號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿廣州火車站、包蘭線增建二線八米源隧道下穿既有隴海鐵路,、206國(guó)道改造工程拾荷隧道下穿廣梅汕鐵路等,。隧道近距離下穿既有道路或其他構(gòu)筑物是淺埋暗挖施工中的技術(shù)難題，因施工措施不當(dāng),、地質(zhì)水文災(zāi)害等原因引起路面大量沉降甚至坍塌,，造成交通中斷的工程事故時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響,，因此,，隧道近距離下穿交通工程是淺埋暗挖施工中需要高度重視的問題。

淺埋暗挖法是在新奧法的基礎(chǔ)上,，結(jié)合中國(guó)國(guó)情創(chuàng)立起來的，它的特點(diǎn)是采用量測(cè)信息反饋法進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工,，同時(shí)采取超前支護(hù)和改良地層注漿加固等配套技術(shù)來完成隧道建設(shè)[6-7],。淺埋暗挖隧道下穿既有線施工時(shí)可通過數(shù)值分析對(duì)初步擬定設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬驗(yàn)證，優(yōu)化施工方法及工程措施[8],。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采用淺埋暗挖隧道施工的支護(hù)措施和地層沉降規(guī)律進(jìn)行了廣泛研究[9-17],，但對(duì)淺埋暗挖大斷面矩形隧道施工工序研究較少。

昆明某地鐵區(qū)間采用矩形暗挖隧道結(jié)構(gòu)斷面穿越既有交通線路工程,，該隧道具有斷面大,、地質(zhì)條件差、埋深淺的特點(diǎn),。隧道矩形斷面采用6導(dǎo)洞分部開挖法施工,，主要研究該隧道施工過程中襯砌結(jié)構(gòu)的變形與受力變化規(guī)律，確定最優(yōu)施工技術(shù)方案,，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工,，同時(shí)通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)反饋與驗(yàn)證。本文研究成果可為類似工程施工設(shè)計(jì)提供一定的借鑒與參考,。

1 工程概況

昆明某地鐵區(qū)間暗挖隧道以小角度下穿高速公路,，區(qū)間隧道埋深約5～6 m,，長(zhǎng)度156 m。隧道采用“中導(dǎo)洞法”施工,，隧道矩形斷面尺寸為11.6 m×7.0 m,。隧道采用復(fù)合式襯砌施工，以鋼筋網(wǎng),、噴射混凝土和鋼架為初支,，二次襯砌采用模筑鋼筋混凝土。隧道輔助措施采用φ42 mm超前注漿小導(dǎo)管,、φ180 mm(壁厚10 mm)超長(zhǎng)大管棚(70～80 m)等,，如圖1所示。

圖1 區(qū)間矩形隧道斷面(單位：m)

本工程區(qū)段地層主要為人工填土及軟土,。雜填土分布于全段表層,，厚度0.5～6.4 m，成分復(fù)雜,，結(jié)構(gòu)疏密不均,，物理力學(xué)性質(zhì)較差。素填土局部分布于雜填土下部,，厚度2.8～9.4 m,，可塑狀態(tài)，壓密不均,，物理力學(xué)性質(zhì)較差,，隧道開挖不能自穩(wěn)。本段內(nèi)低凹溝谷地段分布淤泥質(zhì)黏土呈軟～可塑狀,，揭示厚度1.9～2.5 m,，埋深6.4～6.5 m，分布于高速公路下部溝槽內(nèi),，呈條帶狀分布,，具有孔隙比大、含水量高,、壓縮性大,、承載力低、靈敏度較高等特點(diǎn),。

2 區(qū)間隧道施工工序優(yōu)化分析

隧道施工前首先進(jìn)行大管棚施工,，擬采用6導(dǎo)洞分部法進(jìn)行開挖，但各導(dǎo)洞的開挖順序尚不確定,，需要做進(jìn)一步的研究分析,。本文采用FLAC3D軟件進(jìn)行隧道開挖模擬，對(duì)各導(dǎo)洞不同開挖順序進(jìn)行比選分析。

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

隧道計(jì)算模型的范圍按側(cè)邊取5倍的隧道開挖跨度,，底部向下取3倍開挖高度,，埋深取6 m，模型水平方向(x向)長(zhǎng)度為56.9 m,，縱向(y向)長(zhǎng)度為40 m,，豎向(z向)為26.8 m。隧道圍巖,、臨時(shí)支撐和二次襯砌采用實(shí)體單元模擬,，初期支護(hù)采用殼單元模擬。管棚和注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)等效為圍巖加固區(qū),，通過提高圍巖的材料參數(shù)來模擬,。計(jì)算模型左、右,、前,、后和下部邊界均施加法向約束，上面的地表為自由邊界,，計(jì)算模型見圖2,。隧道地層視為摩爾-庫(kù)侖彈塑性材料，支護(hù)結(jié)構(gòu)視為彈性材料,，隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1,。

圖2 計(jì)算模型

表1 隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

名稱容重/(kN/m3)厚度/m彈性模量/GPa泊松比內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/kPa雜填土18.56.40.00650.38620素填土192.10.01620.351025黏土19.57.80.040.331230白云質(zhì)灰?guī)r2010.50.10.32240管棚加固區(qū)23—70.2835200初期支護(hù)250.3533.50.22——臨時(shí)支撐250.332.70.23——

在確定采用6導(dǎo)洞方案之后，需要確定各導(dǎo)洞的開挖順序組合,。應(yīng)遵循的原則為：下導(dǎo)洞的開挖應(yīng)在其正上方導(dǎo)洞開挖之后進(jìn)行,。故主要研究工序?yàn)橄戎虚g后兩側(cè)和先兩側(cè)后中間的開挖順序。本文提出了4種開挖方案進(jìn)行比選,，如圖3所示,。方案1和方案2為先開挖緊鄰的上下導(dǎo)洞，方案3和方案4為先開挖全部上導(dǎo)洞再開挖下導(dǎo)洞,。每個(gè)導(dǎo)洞施工循環(huán)進(jìn)尺均為1 m，相鄰序號(hào)的導(dǎo)洞掌子面間縱向間距為4 m,。

注：①～⑥為開挖工序
圖3 隧道不同開挖方案

研究分析指標(biāo)為中間斷面處(Y=20 m)的地表沉降,、拱頂沉降、底板隆起位移及初期支護(hù)內(nèi)力等,，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖4,。

圖4 目標(biāo)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意(單位：m)

2.2 地表沉降分析

圖5為隧道開挖過程中4種方案的地表沉降曲線(Y=20 m斷面)?？梢钥闯?，在橫向上，地表沉降曲線表現(xiàn)出“凹槽”的形狀。隧道區(qū)域以外的地表沉降曲線的斜率比隧道中心線處的更大,，隧道區(qū)域的地表沉降較為均勻,，曲線斜率較小，這主要是因?yàn)樗淼郎戏胶蛢蓚?cè)管棚的支護(hù)作用限制了土體的沉降,。最大沉降量都發(fā)生在隧道中心線對(duì)應(yīng)的地表處,，距離隧道中心線越遠(yuǎn)，地表沉降越小,，影響范圍約為4倍隧道開挖跨度,。方案1和方案2線路中心偏右線側(cè)沉降較左線大，表現(xiàn)出非對(duì)稱性,。主要是因?yàn)槭┕ぐ凑障戎袑?dǎo)洞,，再右線導(dǎo)洞，最后左線導(dǎo)洞的施工順序,。先開挖的隧道圍巖應(yīng)力釋放更大,，位移也相應(yīng)更大。隨著掌子面距離監(jiān)測(cè)斷面越來越近,，地表沉降也在逐漸增大,，各方案地表沉降值隨掌子面位置變化見表2。

由表2可知,，隧道開挖引起的地表某監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降大部分都發(fā)生在掌子面通過監(jiān)測(cè)斷面之后,，所占比例約為60%?？傮w來看,，方案1在控制地表沉降方面更有優(yōu)勢(shì)。

圖5 地表沉降曲線

表2 地表沉降值隨掌子面位置變化

地表沉降方案1方案2方案3方案4最終沉降值/mm-11.5-13-14.3-14開挖到20m沉降值/mm-4-4.5-6.1-4.9占總沉降值的比例/%35354335

2.3 拱頂沉降分析

選擇Y=20 m斷面處上部中導(dǎo)洞①洞的拱頂沉降作為典型分析,，將4種方案拱頂沉降曲線繪于圖6,。由圖6可知，4種開挖方案的拱頂沉降相差不大,，最終沉降均為20 mm左右,。開始開挖階段，Y=20 m處拱頂沉降為2～3 mm,，在掌子面位于監(jiān)測(cè)斷面前方10 m左右開始拱頂沉降速率加快,，掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面位置時(shí)沉降速率最快，其中方案3拱頂沉降最快,，為4.2 mm/步,，方案1和方案4為3.9 mm/步，方案2為4.0 mm/步,，之后速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定,，在掌子面通過監(jiān)測(cè)斷面20 m后拱頂沉降趨于穩(wěn)定。拱頂沉降主要發(fā)生在掌子面前后約10 m范圍，4種方案的拱頂沉降相差不大,，相對(duì)來看,，方案1要稍小一些。

圖6 ①洞拱頂沉降曲線

2.4 底板隆起位移分析

選擇Y=20 m斷面處②洞的底板隆起位移作為典型分析,，將4種方案底板隆起位移曲線繪于圖7,。由圖7可知，4種開挖方案的底板隆起位移相差不大,，方案1和方案2相對(duì)較小,，為17 mm。開始開挖階段,，底板隆起位移為零,，在掌子面位于監(jiān)測(cè)斷面前方15 m左右，方案3和方案4的底板隆起位移變化速率開始加快,；方案1和方案2在掌子面位于監(jiān)測(cè)斷面前方10 m左右開始底板隆起位移變化速率加快,。掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面位置時(shí)變化速率最快，方案3為4.4 mm/步,，方案4為4.7 mm/步,，方案1和方案2為4.8 mm/步，之后底板隆起位移變化速率逐漸減小,，在掌子面通過監(jiān)測(cè)斷面5 m左右底板隆起位移達(dá)到峰值,，之后逐漸趨于穩(wěn)定。底板隆起位移主要發(fā)生在掌子面前后約10 m范圍,，總體來看,，方案1的底板隆起位移最小。

圖7 ②洞底板隆起位移曲線

2.5 初期支護(hù)內(nèi)力分析

圖8為隧道開挖支護(hù)完成初期支護(hù)彎矩等值線圖(Y=19～20 m),，由圖8可知,，方案1至方案4的初期支護(hù)最大彎矩分別為140.7、142.7,、143.5,、145.1 kN·m，均位于①導(dǎo)洞頂板中間位置,，說明①導(dǎo)洞頂板位置彎曲變形較大,，上覆荷載較大?？偟膩砜矗鞣桨傅某踔澗夭顒e不大,，方案1初期支護(hù)整體的彎矩最小,。

圖8 隧道初期支護(hù)彎矩等值線圖(單位：N·m)

綜合以上各個(gè)方案不同指標(biāo)的比選分析，最終確定選擇方案1進(jìn)行施工。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)選擇方案1,，導(dǎo)洞掌子面間距取4 m。導(dǎo)洞開挖過程中,，上臺(tái)階采用人工進(jìn)行開挖,，下臺(tái)階采用人工配合機(jī)械進(jìn)行開挖。

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工時(shí)ZDK20+147里程處右線③洞位置遇到燃?xì)夤芫€,，經(jīng)研究決定③洞和④洞先停止開挖,，處理燃?xì)夤芫€，所以從2015年5月7日到2015年5月14日停工10日,，左線的⑤洞和⑥洞先行開挖,。故而施工順序改為先開挖中導(dǎo)洞(①、②洞),，再開挖左線導(dǎo)洞(⑤,、⑥洞)，最后開挖③,、④洞,。上下導(dǎo)洞掌子面間隔4 m，⑤洞掌子面落后①洞掌子面5 m,，③洞掌子面落后⑤洞掌子面8 m?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工時(shí)每隔10 m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，下穿高速公路段監(jiān)測(cè)斷面加密為5 m一個(gè),。選取位于高速公路下方的有代表性的2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的地表沉降測(cè)點(diǎn)及部分拱頂沉降測(cè)點(diǎn),，分析實(shí)際施工過程中的變化趨勢(shì)，實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示,。

圖9 實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.2 地表沉降

選取ZDK20+080和ZDK20+090兩個(gè)斷面的地表沉降數(shù)據(jù),，繪制出地表沉降歷時(shí)曲線，如圖10和圖11所示,。隧道開挖進(jìn)度見表3,。

圖10 ZDK20+080斷面地表沉降歷時(shí)曲線

圖11 ZDK20+090斷面測(cè)點(diǎn)地表沉降歷時(shí)曲線

表3 隧道開挖進(jìn)度

日期①洞掌子面里程距ZDK20+080斷面距離/m距ZDK20+090斷面距離/m6月1日ZDK20+11838287月1日ZDK20+11020107月15日ZDK20+0877-38月1日ZDK20+078-2-128月15日ZDK20+069-11-21

注：(1)負(fù)數(shù)表示監(jiān)測(cè)斷面位于掌子面之后；(2)①洞8月15日貫通,。

由圖10和圖11可知,，隨著隧道的開挖掘進(jìn)，地表沉降逐漸增大,。在橫斷面上的地表沉降形成一個(gè)沉降槽曲線,，線路中心偏左線側(cè)沉降較大，表現(xiàn)為非對(duì)稱性,。主要是因?yàn)槭┕ぐ凑障娶?、②中?dǎo)洞,，再左線③、④導(dǎo)洞,，最后右線⑤,、⑥導(dǎo)洞的施工順序。先開挖的導(dǎo)洞圍巖應(yīng)力釋放較大,，地表沉降也相應(yīng)變大,。地表沉降的影響范圍約為45 m(4倍的隧道開挖跨度)。通過分析隧道實(shí)際開挖進(jìn)度,，可知隧道掌子面距離監(jiān)測(cè)斷面越近,，地表沉降速率越快。主要影響范圍為監(jiān)測(cè)斷面前后約10 m區(qū)域,，與數(shù)值模擬的結(jié)果基本吻合,。

圖12 隧道拱頂沉降時(shí)程曲線

圖12為高速公路下方隧道拱頂沉降時(shí)程曲線(GD11～GD16)。由圖12可知,，隧道拱頂沉降隨時(shí)間逐漸增大,，在開挖階段位移變化速率很快，隨后趨于穩(wěn)定,。拱頂沉降曲線較平滑,，說明相鄰導(dǎo)洞的開挖對(duì)該導(dǎo)洞拱頂沉降影響較小。在開挖后30 d,，即掌子面通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)約20 m后拱頂沉降趨于穩(wěn)定,，與數(shù)值模擬的結(jié)果基本吻合。GD16點(diǎn)隧道拱頂最終沉降最大,，為-30 mm,，里程為ZDK20+100，恰好在高速公路中間位置,。說明下穿高速公路段隧道豎向位移較大,，有一定的施工風(fēng)險(xiǎn)，需要加強(qiáng)施工質(zhì)量管理和監(jiān)控量測(cè),。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,，地鐵區(qū)間隧道采取的管棚預(yù)加固、小導(dǎo)管注漿等措施對(duì)地表沉降控制起到了重要作用,，隧道施工方案,、施工工藝和設(shè)計(jì)參數(shù)是合理可行的。

4 結(jié)論與建議

通過對(duì)各導(dǎo)洞不同開挖順序的施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,，得出以下主要結(jié)論,。

(1)從地表沉降、拱頂沉降,、底板隆起位移,、初支內(nèi)力等指標(biāo)分析,，隧道開挖順序方案1比其他方案能夠較好地確保隧道安全順利施工。矩形隧道斷面6導(dǎo)洞(先中間后兩邊)非對(duì)稱開挖順序可有效控制地層變形和結(jié)構(gòu)受力,。

(2)地鐵區(qū)間隧道地表沉降曲線呈現(xiàn)“凹槽”形狀，在隧道橫斷面方向影響范圍約為4倍開挖跨度,。掌子面開挖過后監(jiān)測(cè)斷面處地表沉降量所占比例約為60%,。

(3)隧道拱頂沉降和底板隆起位移大部分發(fā)生在掌子面位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)前后10 m范圍內(nèi)，各導(dǎo)洞開挖順序?qū)χёo(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較小,。

(4)工程應(yīng)用實(shí)踐表明采用推薦的6導(dǎo)洞施工方案是安全可行的,。

本文所得結(jié)論可為類似的隧道工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

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Comparison and Research of Construction and Excavating Scheme for Shallow Rectangular Tunnel

SHEN Yu-sheng， HE Wei-xiang,， ZHAO Le,， HE Yong-hui

(Southwest Jiaotong University， Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,， Ministry of Education,， Chengdu 610031， China)

Abstract：In view of the engineering characteristics of a new shallow excavated rectangular tunnel,， simulations are made with FLAC3D software for the construction schemes of pilot tunnels with different excavation sequences. Analysis is conducted of the surface subsidence,， vault settlement， uplifts of the bottom of tunnel,， the internal force of primary support to find out the characteristics and laws of the tunnel surrounding strata deformation and structural stress so that the optimum construction scheme can be selected. The research results indicate that the asymmetric excavation of the six pilot tunnels of the rectangular tunnel (both side of the tunnel after the middle) can effectively control the strata deformation and structural stress. The surface subsidence curve of the tunnel shows groove shape and tends to affect about 4 times of excavation width in the direction of cross section. The surface subsidence at the monitoring cross-section after tunnel face excavation makes up about 60% of the total settlement. Most of the vault subsidence and uplifts of the bottom of tunnel occur where the tunnel face is within 10 meters before and after the monitoring point and the pilot tunnel excavation sequence has little influence on the internal forces of the supporting structure. The engineering practice proves that the recommended construction scheme with six pilot tunnels is safe and feasible．

Key words：Metro; Shallow underground tunnel; Rectangular tunnel; Excavation sequence; Numerical simulation; Construction scheme

收稿日期：2016-06-05,；

修回日期：2016-06-18

作者簡(jiǎn)介：申玉生(1976—)，男,，副教授,，博士(后)，E-mail:[email protected],。

文章編號(hào)：1004-2954(2017)02-0100-05

中圖分類號(hào)：U455.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.02.022