梁 波，蔣博林

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，中國 重慶 400074)

隨著地面交通運(yùn)輸量越來越大，環(huán)保意識(shí)越來越強(qiáng)，以及城市軌道交通的大力發(fā)展，地下工程暗挖法已廣泛應(yīng)用于城市地下空間的開發(fā)利用。地下工程暗挖施工方法主要有盾構(gòu)法、TBM法和淺埋暗挖法等。

與其他施工方法相比，淺埋暗挖法因地層適應(yīng)性、斷面靈活性和造價(jià)相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)，在我國地鐵等市政建設(shè)中廣泛采用。因?yàn)闇\埋暗挖的環(huán)境特點(diǎn)和受力特點(diǎn)，其施工過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)也較大。因此如何建立和完善有效的城市地鐵淺埋暗挖隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理體系，通過風(fēng)險(xiǎn)安全評(píng)價(jià)和預(yù)防、控制，將風(fēng)險(xiǎn)危害和影響程度減至最低。其中，地鐵淺埋暗挖施工方法和支護(hù)措施是安全風(fēng)險(xiǎn)的主要控制因素。

風(fēng)險(xiǎn)管理的研究最早可追溯到公元前916年的共同海損制度。而在隧道工程領(lǐng)域，安全評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)分析自20世紀(jì)70年代以后才開始研究和應(yīng)用［1－3］。同濟(jì)大學(xué)的丁士昭教授(1992年)對(duì)我國廣州地鐵首期工程、上海地鐵一號(hào)線工程等地鐵建設(shè)中的風(fēng)險(xiǎn)和保險(xiǎn)模式進(jìn)行了研究。黃宏偉，等［4－6］針對(duì)隧道及地下工程建設(shè)中的特點(diǎn)，分析了影響地鐵區(qū)間隧道安全體系的各個(gè)因素，建立了層次結(jié)構(gòu)模糊綜合評(píng)判模型，還對(duì)風(fēng)險(xiǎn)管理研究的發(fā)展等進(jìn)行了討論。這些研究方法在隧道工程施工安全評(píng)估中具有一定的參考價(jià)值，但在定量和具體應(yīng)用上還需更為深入的分析和研究。

筆者結(jié)合淺埋暗挖隧道施工過程，在確定施工方法的前提下，主要對(duì)采用的不同支護(hù)措施(超前預(yù)支護(hù)、初期支護(hù)與二次襯砌)引發(fā)地層的變形特征與運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過數(shù)值模擬結(jié)果研究了不同支護(hù)措施對(duì)淺埋暗挖隧道安全性的影響。

1 安全風(fēng)險(xiǎn)因素和安全分析數(shù)值計(jì)算模型

1.1 施工過程安全風(fēng)險(xiǎn)因素

由于城市地鐵公共交通的特性，使得地鐵線網(wǎng)往往沿城市的繁華街區(qū)、各功能區(qū)以及居民聚居的生活區(qū)規(guī)劃布置。在這些區(qū)域若采用淺埋暗挖法施工，其風(fēng)險(xiǎn)源或風(fēng)險(xiǎn)因素的辨識(shí)和安全控制是保證施工安全的關(guān)鍵。

淺埋條件下的主要風(fēng)險(xiǎn)因素為不良水文地質(zhì)、地下管線、埋深、覆跨比及斷面類型，且各種風(fēng)險(xiǎn)因素均會(huì)對(duì)地鐵隧道施工的安全性造成不同程度的影響。

淺埋暗挖隧道最大的特點(diǎn)是埋深淺，施工過程中由于地層損失而引起地面移動(dòng)明顯，對(duì)周邊環(huán)境的影響較大。因此對(duì)開挖、支護(hù)、襯砌、排水、注漿等方法提出更高要求，施工難度增加。此外由于隧道埋深較淺，上覆土層較薄，而地層加固措施不到位，會(huì)容易出現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)坍塌，造成人員傷亡。

另外，覆跨比也是影響隧道圍巖穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)因素。結(jié)構(gòu)拱頂上部覆蓋的土層厚度與隧道結(jié)構(gòu)跨度之比，稱為覆跨比。GB 50157—2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］指出，應(yīng)根據(jù)具體的工程條件，選擇較大的覆跨比。而文獻(xiàn)［8］研究表明，當(dāng)覆跨比小于1.0時(shí)，隧道開挖對(duì)地表沉降有著較大的影響，因此建議地鐵隧道覆跨比設(shè)計(jì)應(yīng)盡量大于1.0。

此外還存在近接條件下的風(fēng)險(xiǎn)因素和隧道施工安全管理風(fēng)險(xiǎn)因素。近接條件下的施工風(fēng)險(xiǎn)因素一般表現(xiàn)為新建隧道與既有建(構(gòu))筑物的相互影響，主要關(guān)注地層的沉降變形及隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性兩方面的影響。

筆者在施工方法確定的前提下，主要研究淺埋條件施工過程中，不同支護(hù)措施引發(fā)的地面移動(dòng)或地層變形特征造成的結(jié)構(gòu)安全性影響。

1.2 安全分析數(shù)值計(jì)算模型

應(yīng)用大型有限元分析軟件 ANSYS［9－10］，通過數(shù)值模擬研究不同支護(hù)措施對(duì)淺埋暗挖地鐵隧道安全性的影響。文中數(shù)值模擬計(jì)算模型采用某地鐵暗挖區(qū)間隧道斷面模型，隧道斷面尺寸、模型范圍及埋深見圖1。

圖1 計(jì)算模型示意圖(單位:m)Fig.1 Schematic of calculate model

由于筆者主要研究支護(hù)措施對(duì)洞室周圍土體的變形、塑性區(qū)范圍及地表沉降的影響，因此隧道周邊塑性區(qū)范圍的大小與地表的沉降值就成為研究影響作用的判別指標(biāo)。地表的沉降為判斷隧道開挖引起圍巖變形的重要指標(biāo)，同時(shí)，隧道拱頂、拱底和拱腰的變形對(duì)隧道本身的安全與穩(wěn)定也有重要的影響。為了便于考察以上4個(gè)方面的響應(yīng)程度，在模型中設(shè)置了4個(gè)沉降控制點(diǎn):點(diǎn)①位于隧道中軸線上方地表處;點(diǎn)②位于隧道拱頂處;點(diǎn)③位于隧道拱腰處;點(diǎn)④位于隧道拱底處。

數(shù)值模型兩側(cè)邊界施加水平約束，底面邊界固定。ANSYS模型中網(wǎng)格的劃分見圖2。

圖2 ANSYS模型中網(wǎng)格的劃分Fig.2 Meshing in ANSYS model

2 不同支護(hù)措施對(duì)隧道施工安全性的影響研究

2.1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

在研究不同支護(hù)措施對(duì)隧道施工安全性的影響時(shí)，圍巖級(jí)別按V級(jí)圍巖考慮。隧道結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，初期襯砌采用中空注漿錨管、砂漿錨桿、噴混凝土、鋼筋網(wǎng);二次襯砌為防水鋼筋混凝土;開挖前采用超前注漿小導(dǎo)管預(yù)加固地層，并作超前管棚預(yù)支護(hù)輔助施工。圍巖及支護(hù)措施具體計(jì)算參數(shù)見表1。隧道埋深15.0m，為淺埋暗挖隧道。

表1 隧道圍巖及支護(hù)措施計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculate parameters of tunnel surrounding rock and support

2.2 不同支護(hù)措施的數(shù)值模擬方法

對(duì)于保證隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的支護(hù)措施，筆者主要考慮小導(dǎo)管注漿、管棚超前預(yù)支護(hù)等兩種預(yù)加固或預(yù)支護(hù)措施;襯砌結(jié)構(gòu)采用錨桿、格柵鋼架、網(wǎng)噴混凝土、模筑混凝土等4種支護(hù)措施。這也是地下工程中常用的支護(hù)或加固措施，如何在有限元計(jì)算中比較合理地反映這些措施的作用機(jī)理或效果，是影響計(jì)算結(jié)果合理性的關(guān)鍵因素之一。

根據(jù)各種支護(hù)措施的力學(xué)原理和數(shù)值模擬特點(diǎn)，各種支護(hù)措施數(shù)值模擬分述如下:

1)對(duì)于大管棚超前支護(hù)、超前小導(dǎo)管預(yù)注漿支護(hù)的加固作用，一般是在數(shù)值模擬分析中通過對(duì)洞室周圍土體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶岣邅矸从?

2)錨桿的作用擬采用提高圍巖參數(shù)模擬;

3)格柵鋼架的作用通過提高初期支護(hù)的參數(shù)來模擬;

4)噴層常常作為彈性材料采用桿梁單元或板殼單元來進(jìn)行模擬;

5)噴層中的鋼筋網(wǎng)通過提高噴層的參數(shù)來近似模擬;

6)模筑混凝土作為彈性材料采用提高襯砌支護(hù)參數(shù)來進(jìn)行模擬。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

文中的數(shù)值模擬中，不考慮地下水的影響，施加重力場，使土體在自重作用下固結(jié)沉降，達(dá)到平衡，而后進(jìn)行全斷面開挖。

2.3.1 超前預(yù)支護(hù)對(duì)隧道性狀和地表沉降影響

超前預(yù)支護(hù)可以改變掌子面前方洞室周圍土體的性質(zhì)，提高掌子面前方洞室周圍土體的強(qiáng)度和剛度，降低開挖引起的洞室周圍土體松動(dòng)和坍塌的可能性，可以適當(dāng)?shù)乜刂频貙拥南孪莺偷乇淼某两?，并縮小塑性區(qū)的范圍。

本算例考慮采用熱軋無縫鋼管大管棚超前支護(hù)和超前小導(dǎo)管預(yù)注漿支護(hù)，支護(hù)范圍為拱頂2 m范圍內(nèi)，以及邊墻采用的中空注漿錨桿超前支護(hù)，支護(hù)范圍為邊墻2.5 m范圍內(nèi)。對(duì)于大管棚超前支護(hù)、超前小導(dǎo)管預(yù)注漿支護(hù)和中空注漿錨桿超前支護(hù)的加固作用，一般是在分析中通過對(duì)洞室周圍土體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶岣邅矸从场Ｈ?，文獻(xiàn)［11］即按提高圍巖力學(xué)參數(shù)的10%來考慮，筆者根據(jù)工程實(shí)例提供的參數(shù)計(jì)算，按洞室周圍土體力學(xué)參數(shù)分別4種工況來考察加固程度的效果和影響:工況1為無支護(hù);工況2為提高10%;工況3為提高15%;工況4為提高20%。這4種加固工況下，控制點(diǎn)①、控制點(diǎn)②、控制點(diǎn)④的豎向位移和控制點(diǎn)③的收斂位移(方向指向隧道中心)如表2。

表2 不同超前支護(hù)對(duì)隧道性狀和地表沉降的影響Table 2 The effects of different pre-reinforcements on the tunnel behavior and the ground surface settlement

通過工況2～工況4之間的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，要想通過大幅度提高超前支護(hù)注漿材料的強(qiáng)度來控制和降低地表的沉降和橫向影響范圍，效果并不明顯。因此，預(yù)支護(hù)主要是為開挖、初期支護(hù)及二次襯砌的施作提供安全的作業(yè)環(huán)境，不必過分強(qiáng)調(diào)注漿的強(qiáng)度。變形控制主要依靠開挖后初期混凝土支護(hù)來實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 初期支護(hù)對(duì)隧道性狀和地表沉降的影響

淺埋暗挖地鐵隧道，隨著開挖，地層應(yīng)力得到釋放，會(huì)伴隨著地表大范圍下沉，沉降槽寬度及下沉量都會(huì)較大。為保證地表的變形得到控制，地層預(yù)加固與及時(shí)支護(hù)且封閉成環(huán)是淺埋暗挖隧道施工的關(guān)鍵。可見，控制地層應(yīng)力釋放程度是解決地表沉降及影響范圍的關(guān)鍵。

數(shù)值模擬中，混凝土初期支護(hù)厚200 mm，采用C25噴射混凝土，全斷面支護(hù)。按照ANSYS程序中利用荷載步實(shí)現(xiàn)應(yīng)力逐步釋放的方法，對(duì)隧道開挖后初期支護(hù)發(fā)揮承載作用的11種不同應(yīng)力釋放狀態(tài)組合進(jìn)行模擬分析，比較開挖后支護(hù)跟進(jìn)的不同時(shí)間對(duì)隧道性狀和地表沉降的影響(表3)。

表3 圍巖應(yīng)力釋放程度對(duì)隧道性狀和地表沉降的影響Table 3 The effect of stress release level on the tunnel behavior and the ground surface settlement

由表3可以看出，隨著洞室周圍土體應(yīng)力釋放程度的提高，也就是模擬隧道開挖后隔一段時(shí)間再進(jìn)行支護(hù)，隧道開挖面上方地表沉降和隧道拱頂處的位移有明顯的增大趨勢(shì)，洞室周圍土體塑性區(qū)明顯擴(kuò)大，由穩(wěn)定狀態(tài)向不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化。這也證明了在隧道開挖后越是較早的進(jìn)行初期混凝土支護(hù)，支護(hù)的效果越明顯，隧道開挖面上方地表和隧道拱頂?shù)呢Q向沉降明顯降低。

但是從另一方面看，支護(hù)得越早，初期襯砌越要承受較大的土體壓力，可能使襯砌產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重者還可能造成坍塌。因此，在地鐵隧道施工中，結(jié)合數(shù)值模擬和新奧法隧道施工的精髓“勤測量”，可以通過監(jiān)控隧道上方地表和隧道拱頂?shù)呢Q向沉降，選擇合適的支護(hù)時(shí)機(jī)，在適當(dāng)?shù)膽?yīng)力釋放條件下進(jìn)行初期支護(hù)，這樣既能充分發(fā)揮土體的自承能力，又能在支護(hù)后很好的控制地層沉降，保證隧道和上部結(jié)構(gòu)的安全。

結(jié)合表3的計(jì)算數(shù)據(jù)，當(dāng)圍巖應(yīng)力釋放30%后(工況4)，控制點(diǎn)①的豎向位移即地表上方沉降值有少許回落，沒有繼續(xù)向下沉降，說明此時(shí)圍巖應(yīng)力釋放達(dá)到一定穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)在此時(shí)及時(shí)施作初期支護(hù)，控制圍巖變形。

2.4 不同支護(hù)措施對(duì)隧道性狀和地表沉降的影響

前面對(duì)隧道開挖超前預(yù)支護(hù)、初期混凝土支護(hù)和二次防水混凝土支護(hù)(限于篇幅，未詳述)進(jìn)行了分析，以下分析5種不同支護(hù)工況對(duì)隧道性狀和隧道上方地表沉降的影響:

工況1，不采取任何圍巖加固措施;

工況2，采用大管棚超前支護(hù)和超前小導(dǎo)管預(yù)注漿支護(hù)，按提高洞室周圍土體力學(xué)參數(shù)10%考慮;

工況3，不施加預(yù)支護(hù)，只施加混凝土初期支護(hù)，按圍巖應(yīng)力釋放30%考慮;

工況4，不施加預(yù)支護(hù)，只施加混凝土初期支護(hù)和防水混凝土二次襯砌，圍巖應(yīng)力釋放30%，二襯厚度取250 mm;

工況5，為工況2、工況3和工況4的綜合支護(hù)。

圖3為5種支護(hù)工況下隧道開挖后的位移等值線圖。由圖中可以看出，支護(hù)措施明顯降低了隧道結(jié)構(gòu)的變形和地表的沉降，而且地表沉降的橫向影響范圍也大大的減小，但是不同的支護(hù)措施，支護(hù)效果也不同。

圖3 5種支護(hù)工況下隧道開挖后的位移等值線圖Fig.3 The contour line diagrams of the displacement field after the construction of tunnel in the five reinforcement cases

圖3中工況3反映的是隧道初期支護(hù)對(duì)隧道開挖性狀和地表沉降的影響。由表4可以看出，混凝土初期支護(hù)有效地降低了隧道開挖面中軸線上方地表和隧道結(jié)構(gòu)各個(gè)控制點(diǎn)的變形，與工況1相比，隧道開挖面中軸線上方地表豎向沉降降低到了2.48 mm，降低了61.37%;隧道拱頂豎向沉降降低到了7.05 mm，降低了51.68%;拱頂向上鼓起降低到了6.48 mm，降低了40.11%;隧道拱腰橫向位移降低到1.98 mm，降低了35.71%。

工況4反映的是復(fù)合式襯砌支護(hù)措施(初期支護(hù)加二次襯砌)的效果。通過和工況1比較，隧道開挖面中軸線上方地表豎向沉降降低到了2.26mm，降低了64.80%;隧道拱頂豎向沉降降低到了6.89 mm，降低了52.78%;拱頂向上鼓起降低到了6.22 mm，降低了42.51%;隧道拱腰橫向位移降低到1.52 mm，降低了 50.65%。

表4 不同支護(hù)措施對(duì)隧道性狀和地表沉降的影響Table 4 The effects of different reinforcements on the tunnel behaviour and the ground surface settlement

工況5反映的是綜合支護(hù)措施(預(yù)支護(hù)加初期支護(hù)再加二次襯砌)的效果。通過和工況1比較可以看出，預(yù)支護(hù)與復(fù)合式襯砌支護(hù)綜合發(fā)揮作用，支護(hù)效果是很明顯的。隧道開挖面中軸線上方地表豎向沉降降低到了1.97mm，降低了69.31%;隧道拱頂豎向沉降降低到了6.48mm，降低了55.59%;拱頂向上鼓起降低到了5.98mm，降低了44.73%;隧道拱腰橫向位移降低到1.23mm，降低了60.06%，有效地控制了隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地表的變形，支護(hù)效果非常明顯。

3 結(jié)語

通過對(duì)不同支護(hù)措施對(duì)淺埋暗挖地鐵隧道施工安全性影響的研究，得到以下結(jié)論:

1)超前預(yù)支護(hù)提高掌子面前方洞室周圍土體的強(qiáng)度和剛度，降低開挖引起的洞室周圍土體松動(dòng)和坍塌的可能性，可以適當(dāng)?shù)乜刂频貙拥南孪莺偷乇淼某两?。但是如果單純依靠預(yù)支護(hù)或者依靠大幅度提高超前支護(hù)注漿材料強(qiáng)度來控制和降低洞室周圍土體的地表沉降和橫向影響范圍，效果并不明顯，而且加固的成本會(huì)提高。

2)初期混凝土支護(hù)可以明顯降低洞室周圍土體的位移變形。采用超前預(yù)支護(hù)后，可以按照新奧法的理念，選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)，在一定的圍巖應(yīng)力釋放條件下施作初期支護(hù)，這樣既能充分發(fā)揮土體的自承能力，又能在支護(hù)后很好的控制地層沉降，保證隧道和上部結(jié)構(gòu)的安全。

3)二次襯砌防水混凝土支護(hù)對(duì)地表沉降和橫向影響范圍的作用很小。在施作了超前預(yù)支護(hù)和初期支護(hù)后，待初期支護(hù)與圍巖的變形達(dá)到穩(wěn)定后，即可施作二次襯砌。二次襯砌施作后，施工階段的地層沉降就形成最終的穩(wěn)定狀態(tài)。

4)綜合支護(hù)措施(預(yù)支護(hù)加初期支護(hù)再加二次襯砌)能有效地控制隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地表的變形，支護(hù)效果非常明顯。

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