張 濤

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056）

0 引言

盾構(gòu)法是暗挖法施工中的一種全機(jī)械化施工方法，具有自動化程度高、施工速度較礦山法快、對地面建筑沉降影響小等優(yōu)點(diǎn)。然而在某些特殊地段，如地鐵盾構(gòu)施工遭遇極硬巖、孤石群或軟硬不均地層時(shí)，盾構(gòu)不僅掘進(jìn)速度慢、刀盤磨損快，造成總造價(jià)升高，而且可能出現(xiàn)一系列工程事故。針對這些特殊地段，將礦山法和盾構(gòu)法結(jié)合起來組合施工，即先通過礦山法開挖并完成初期支護(hù)，然后盾構(gòu)空推完成管片拼裝，可發(fā)揮2種工法各自最大的優(yōu)勢和效益。文獻(xiàn)［1］介紹了“礦山法+盾構(gòu)法”在深圳地鐵5號線的應(yīng)用情況，講述了盾構(gòu)空推關(guān)鍵施工工藝；文獻(xiàn)［2］通過數(shù)值模擬，分析了深圳地鐵2號線結(jié)合段盾構(gòu)空推管片受力情況；文獻(xiàn)［3］通過建立平面有限元模型，對軟巖隧道支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析。

國內(nèi)外關(guān)于礦山法結(jié)合盾構(gòu)法隧道初期支護(hù)優(yōu)化研究較少，由于在支護(hù)參數(shù)選取方面存在不確定性，為了避免出現(xiàn)工程隱患和工程材料浪費(fèi)，需要對擬定的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［4］。本文采用FLAC 3D軟件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，評價(jià)各錨噴參數(shù)與評價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)系，確立合理的支護(hù)參數(shù)取值，為工程提供理論支持。

1 工程概況

武漢軌道交通3號線是連接漢口、漢陽的骨干線路，也是第1條下穿漢江的地鐵線路，連接主城區(qū)與武漢經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，預(yù)計(jì)將于2015年完工，屆時(shí)將匯合武漢市地鐵2號線和4號線，形成連接武漢三鎮(zhèn)的環(huán)線。

過漢江區(qū)間由于下穿漢江段和漢陽段地質(zhì)差異較大，漢陽段采用礦山法施工，下穿漢江段采用盾構(gòu)法施工，故在漢陽岸側(cè)（CK11+253.876～+577.50段）采用礦山法和盾構(gòu)法組合施工，該段區(qū)間線路以25‰的坡度下坡至區(qū)間最低點(diǎn)，然后以7.5‰的坡度上坡下穿漢江，線路豎曲線半徑為5 000 m。組合段隧道內(nèi)凈空為半徑5.5 m的圓形斷面。隧道穿越中風(fēng)化灰?guī)r及石英砂巖地層，強(qiáng)度為33～58 MPa，處于Ⅲ至Ⅳ級圍巖。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立及監(jiān)測點(diǎn)選取

本文以（CK11+253.876～+577.50）段中部噴錨支護(hù)段隧道為研究對象建立模型。在高程方向，由于高度變化率小于1%，簡化為水平面內(nèi)的隧道。為了消除邊界效應(yīng)對計(jì)算結(jié)果的影響，正面隧道斷面中點(diǎn)為模型坐標(biāo)原點(diǎn)，模型寬度X軸方向取58 m（-29 m，29 m），底部到頂部Z軸方向取65.95 m（0 m，65.95 m），隧道軸線Y軸方向取60 m（0 m，60 m）。模型網(wǎng)格劃分及相關(guān)監(jiān)測點(diǎn)位如圖1所示［5］。

圖1 有限元模型及監(jiān)測點(diǎn)位Fig.1 Finite elementmodel and monitoring points

隧道支護(hù)采用錨噴支護(hù)，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件及規(guī)范要求，初步設(shè)計(jì)錨桿采用砂漿錨桿，長2.2 m，梅花形布置，排距為1.0 m，混凝土采用C25早強(qiáng)混凝土，厚0.15 m。

礦山法隧道斷面如圖2所示。盾構(gòu)半徑為3 100 mm，管片厚度為350 mm。為保證豆礫石回填層不發(fā)生離析現(xiàn)象，回填層厚度不應(yīng)小于200 mm，初步定為230 mm。最外圈為礦山法開挖后，厚度為150 mm的錨噴支護(hù)?？紤]到隧道底部盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)臺的鋪設(shè)，最終凈空高度為7 050 mm，寬度為6 900 mm。

圖2 礦山法隧道斷面初步設(shè)計(jì)圖Fig.2 Preliminary design of cross-section ofmined tunnel

2.2 邊界條件設(shè)定及初始計(jì)算參數(shù)

對于邊界條件的設(shè)置，上臨空面為自由表面邊界，不受任何約束，橫向兩側(cè)受到X（水平）方向的位移約束，前后兩側(cè)收到Y(jié)（縱向）方向的位移約束，模型底層為固定邊界，即同時(shí)受到X，Y，Z（水平、縱向、豎向）3個方向的約束。

根據(jù)現(xiàn)場地勘資料，隧道上覆土層主要有3層，分別是素填土、粉質(zhì)黏土和黏土。隧道主體穿過中風(fēng)化砂巖層，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出的巖土體力學(xué)參數(shù)如表1所示。支護(hù)材料模擬方式如下：采用塊體單元（brick）模擬噴射混凝土，厚為15 cm；用錨索單元（cable）模擬錨桿支護(hù)［6-7］，錨桿長2.2 m，錨桿布置方式為梅花形布置，排距為1.0 m。圍巖采用摩爾-庫侖彈塑性模擬，噴射混凝土塊采用實(shí)體單元模擬，錨桿及襯砌的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock and soil

表2 錨桿和噴射混凝土的力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of anchor bolt and shotcrete

3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)選

3.1 優(yōu)化評價(jià)方法確立

3.1.1 安全考核指標(biāo)

回填層設(shè)計(jì)厚度為230 mm，為了滿足豆礫石回填不發(fā)生離析現(xiàn)象，回填層厚度須滿足200 mm的要求，即關(guān)鍵點(diǎn)位移最大值應(yīng)不超過30 mm。根據(jù)《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》5.3.3規(guī)定，埋深小于50 m的隧洞，允許位移相對值為0.2% ～0.8%。由于凈空高度為7.05 m，寬度為6.9 m，即拱底到拱頂相對變形量不大于56.4 mm，左、右拱腰相對側(cè)移量不大于55.2 mm。

3.1.2 經(jīng)濟(jì)考核指標(biāo)

隧道的成本包括隧道的開挖成本和材料成本，在隧道的圍巖和開挖斷面一定時(shí)，隧道的每m開挖成本是相同的，故此處只考慮支護(hù)的材料成本，那么隧道每m2經(jīng)濟(jì)成本［8］

式中：li為錨桿排距，i=1，2，3（i=1，2，3表示排距分別為0.8，1.0，1.2 m），梅花形布置錨桿，每排錨桿數(shù)為10和9交替，這里簡化為10根；Kj為單根錨桿總成本，j=1，2，3（j=1，2，3表示長度分別為2.0，2.2，2.5 m，值取分別為36，40.5，45元）；mn為混凝土成本（n=1，2，3分別表示混凝土等級為C20，C25，C30，值取分別為1 424，1 820，2 159元/m）。

3.2 優(yōu)化分析

初期支護(hù)采用的錨桿、噴射混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)都是隧道中最重要的受力結(jié)構(gòu)。以前期經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對錨桿的長度、排距和噴射混凝土的混凝土強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。規(guī)范規(guī)定，錨桿深入圍巖長度須不小于1 m，這里取2.0，2.2，2.5 m分別進(jìn)行模擬。而對于錨桿排距，模擬取0.8，1.0，1.2 m 分析。噴射混凝土采用C20，C25和C30早強(qiáng)混凝土進(jìn)行模擬。選用L9（34）正交表，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，如表3所示，總共有3個因素，分別以A，B，C代表［9-10］。

表3 因素水平表Table 3 Factors and their levels

計(jì)算采用FLAC 3D軟件，在隧道開挖過程中，采用與實(shí)際施工情況一致的工序，即掘進(jìn)分為上、下臺階開挖，挖掘上臺階時(shí)在內(nèi)壁設(shè)置噴層，挖掘下臺階前在挖掘完的上臺階設(shè)置錨桿，同時(shí)在上臺階再向前挖掘一段并在內(nèi)壁設(shè)置噴層。每掘進(jìn)一次，整個過程就循環(huán)一次，直至開挖和噴錨結(jié)束，每次掘進(jìn)3 m作為一施工步。為了減少邊界效應(yīng)對計(jì)算結(jié)果的影響，選取縱軸30 m斷面處為監(jiān)測斷面，試驗(yàn)安排及計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)安排及計(jì)算結(jié)果Table 4 Experiment arrangement and calculation results

各因素對各指標(biāo)的影響如表5所示。由表5通過極差分析和直觀分析可以看出：改變混凝土等級雖然可以明顯減少位移，但是會造成整體造價(jià)大幅度增加；對位移的影響，錨桿長度大于錨桿排距；對造價(jià)的影響，錨桿長度小于錨桿排距，增加錨桿長度不僅可以使位移更小，且造價(jià)增長量也較小。因此最后得出的最優(yōu)支護(hù)參數(shù)為錨桿長2.5 m，錨桿排距為1.0 m，混凝土等級采用C25。

表5 各因素對各指標(biāo)的影響Table 5 Influence of each factor on the indices

3.3 優(yōu)選結(jié)果驗(yàn)證

將前面得出的最優(yōu)方案代入FLAC 3D軟件進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證該方案的可行性。圖3為隧道經(jīng)過錨噴支護(hù)下的地表橫向沉降槽曲線。地表變形趨勢符合Peck公式［11］關(guān)于地表的變形趨勢，兩端至隧道中心線，越靠近中心線，地表沉降越大，反之越小，最大沉降部位位于隧道軸線中間對應(yīng)的地表。未經(jīng)支護(hù)的隧道引起的地表沉降最高達(dá)23.7 mm，而經(jīng)過支護(hù)的隧道引起的地表沉降最大沉降量為4.57 mm，滿足規(guī)范規(guī)定的不大于3 cm的要求，可見隧道合理支護(hù)能有效抑制地表沉降。

圖3 地表橫向沉降曲線Fig.3 Curves of transverse ground surface settlement

圖4和圖5分別是最大主應(yīng)力圖和塑性區(qū)圖。對比2圖可知，拱頂和拱底出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，由于支護(hù)作用，圍巖并未出現(xiàn)塑性區(qū)。

圖4 最大主應(yīng)力圖Fig.4 Contour ofmaximal principal stress

圖5 塑性區(qū)圖Fig.5 Plasticized zone

圖6是豎向應(yīng)力云圖。由圖6可知，隧道頂部發(fā)生沉降，底部隆起，最大沉、隆位移分別出現(xiàn)在拱頂和拱底附近。如表6所示，隧道每m造價(jià)為2 270元，經(jīng)濟(jì)性符合要求；監(jiān)測點(diǎn)位移值不超過30 mm，滿足回填層厚度大于200 mm的要求；拱頂、拱底相對位移為53.73 mm，滿足相對位移不大于56.4 mm的要求。故該組支護(hù)參數(shù)是最優(yōu)支護(hù)參數(shù)組合。

圖6 豎向位移云圖Fig.6 Contour of z-displacement

表6 4個監(jiān)測點(diǎn)位移值Table 6 Displacementsmeasured at 4 monitoring points

4 結(jié)論與建議

1）將正交試驗(yàn)方法引入數(shù)值模擬中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的，該方法不僅簡單易行，而且能顯著減少試驗(yàn)次數(shù)。

2）比較系統(tǒng)地研究了錨桿長度、錨桿排距和混凝土等級對拱頂、底相對位移，左、右拱腰相對側(cè)移和隧道每m造價(jià)的影響規(guī)律，并以此確定了最優(yōu)支護(hù)參數(shù)組合。

3）國內(nèi)外對支護(hù)優(yōu)化的研究較多，然而針對礦山法結(jié)合盾構(gòu)法組合施工工法的支護(hù)研究較少，該結(jié)論對工程設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。

4）本文雖然得出了最優(yōu)支護(hù)參數(shù)，但在工程施工階段，還需要根據(jù)實(shí)際工程的反饋信息，進(jìn)行有效的修正或更改，以滿足安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求。

5）正交試驗(yàn)所選取的影響因素未包含噴射混凝土厚度和錨桿間距等因素，期待日后加以完善。

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