孟 偉，葉 銘

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)在建地鐵的城市已有37個(gè)，淺埋暗挖法因其對(duì)環(huán)境影響小、靈活多變、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在城市地鐵工程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在渡線、漸變段等不規(guī)則結(jié)構(gòu)中，暗挖連拱隧道往往為不二之選。

我國(guó)在地鐵暗挖連拱隧道的設(shè)計(jì)施工中總結(jié)了很多經(jīng)驗(yàn)，但主要集中在對(duì)雙連拱和三連拱隧道的設(shè)計(jì)施工方面［1－2］。文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［4］主要從施工技術(shù)方面對(duì)地鐵雙連拱和三連拱結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討;文獻(xiàn)［5］從設(shè)計(jì)方案對(duì)地鐵雙連拱中隔墻設(shè)計(jì)、導(dǎo)洞設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究。針對(duì)四連拱隧道的研究，主要集中在深埋巖層的公路隧道。文獻(xiàn)［6］對(duì)象山隧道四連拱結(jié)構(gòu)拓寬改造工程對(duì)新舊結(jié)構(gòu)的連接、支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力平衡、結(jié)構(gòu)拆除和既有結(jié)構(gòu)的病害整治等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行論述;文獻(xiàn)［7］分析了終南山公路隧道通風(fēng)井工程風(fēng)道系統(tǒng)四連拱隧道的施工工況，得出圍巖應(yīng)力、位移等規(guī)律;文獻(xiàn)［8］論述了宏梯關(guān)隧道輔助通風(fēng)巷道地下風(fēng)機(jī)房四連拱隧道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及施工方法;但在第四系松散土層中修建地鐵工程，僅有文獻(xiàn)［9］對(duì)哈爾濱地鐵一號(hào)線哈—農(nóng)區(qū)間四連拱段開挖、襯砌等施工技術(shù)進(jìn)行了介紹。

本文以北京地鐵某停車線四連拱隧道的設(shè)計(jì)方案為例，對(duì)人工填土層中四連拱隧道的支護(hù)體系受力、地面沉降、風(fēng)險(xiǎn)控制、施工工期等方面進(jìn)行研究，最終推薦“側(cè)洞法”施工，并在施工中取得成功。

1 工程概況

本工程位于某火車站站前集散廣場(chǎng)下方，地理位置重要，人流密度大，其地下市政管線密集，采用暗挖法施工。隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)26 m、寬23.134 m、高7.1 m，覆土約10.55 m，暗挖隧道一端是明挖基坑，另一端為已建成的隧道結(jié)構(gòu)。隧道處于約17 m厚的雜填土和粉土填土層中，如圖1和圖2所示。隧道上方熱力管為暗挖法施工，復(fù)合式襯砌，壁厚0.5 m。

圖1 隧道平面圖(單位:m)Fig.1 Plan of tunnel(m)

圖2 地質(zhì)斷面圖(單位:mm)Fig.2 Profile of geological conditions(mm)

2 工程重難點(diǎn)分析

1)隧道結(jié)構(gòu)位于約17 m厚的雜填土和粉土填土層中?？辈靾?bào)告揭示，該部位人工填土層厚度較大，且成分雜亂，土質(zhì)疏松，穩(wěn)定性差，無(wú)法形成自然應(yīng)力拱，易發(fā)生塌落現(xiàn)象。

2)四連拱隧道施工工序復(fù)雜，可采用的施工工序繁多，需進(jìn)行系統(tǒng)的分析比較，從安全、工期、造價(jià)等方面選擇適合本工程的最優(yōu)施工工序。

3)多跨隧道間施工相互影響很大，主要體現(xiàn)在對(duì)地層的擾動(dòng)，中隔墻的水平位移難以控制。

4)四連拱隧道較寬，豎向土壓力為全土柱壓力，對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力要求很高，因此，需盡早澆筑二次襯砌并封閉成環(huán)，減小初期支護(hù)的承載風(fēng)險(xiǎn)。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路及支護(hù)參數(shù)

本隧道結(jié)構(gòu)位于人工填土層內(nèi)，土體成拱效應(yīng)差，且易坍塌，其設(shè)計(jì)思路主要為:

1)限制隧道一次開挖寬度，可通過(guò)“導(dǎo)洞法”或“CRD法”，變“大洞”為“小洞”。

2)采用防坍塌較為有效的大管棚作為拱頂?shù)闹饕ёo(hù)手段，并間插小導(dǎo)管注漿，對(duì)拱部土體進(jìn)行超前預(yù)加固處理，起到加固地層并減小地層沉降的作用。

3)采用剛度較大的初期支護(hù)，控制支護(hù)體系變形，從而減小地層變形。與土層接觸的初期支護(hù)采用350 mm厚的C20格柵鋼架噴混凝土支護(hù)，臨時(shí)支護(hù)采用剛度較大的工字鋼噴混凝土支護(hù)。

4)人工填土層自穩(wěn)性較差，在暗挖施工時(shí)需降低臺(tái)階高度，及早封閉成環(huán)。

隧道支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 隧道支護(hù)參數(shù)Table 1 Supporting parameters

3.2 施工工序分析

根據(jù)變“大洞”為“小洞”的理念，各種工法施工工序見(jiàn)圖3—5。

3.2.1 方案 1

采用導(dǎo)洞+側(cè)洞法施工。其主要思路為:先施工兩側(cè)導(dǎo)洞，澆筑中隔墻，形成豎向支撐;然后施工邊拱初期支護(hù)及二次襯砌，形成“側(cè)洞”;最后施工中間導(dǎo)洞、導(dǎo)洞隔墻和中拱扣拱。

圖3 方案1施工工序Fig.3 Construction sequence:Case I

3.2.2 方案 2

采用導(dǎo)洞法施工。其主要思路為:先將初期支護(hù)全部開挖完成，然后再分步施工二次襯砌結(jié)構(gòu)。導(dǎo)洞順序?yàn)橄戎虚g導(dǎo)洞后兩邊導(dǎo)洞，初期支護(hù)扣拱順序?yàn)橄戎泄昂筮吂埃我r砌扣拱順序?yàn)橄冗吂昂笾泄啊?/p>

3.2.3 方案 3

采用側(cè)洞法施工。其主要思路為:摒棄導(dǎo)洞，先施工邊洞，澆筑邊洞二次襯砌，形成穩(wěn)定封閉的“側(cè)洞”結(jié)構(gòu)，再依次施工中間洞室的初期支護(hù)和二次襯砌。

3.3 有限元計(jì)算與分析

3.3.1 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

為比較各方案對(duì)地層擾動(dòng)的大小，需對(duì)隧道開挖引起的變形進(jìn)行分析。計(jì)算采用MIDAS/GTS仿真分析軟件，考慮圍巖與結(jié)構(gòu)的共同作用和分步施工過(guò)程。計(jì)算模型左右水平計(jì)算范圍均取結(jié)構(gòu)跨度的2倍以上，垂直計(jì)算范圍向上取至自由地表，向下取隧道高度的3倍。隧道圍巖本構(gòu)模型采用摩爾－庫(kù)侖模型，考慮圍巖的非線性變形。主體結(jié)構(gòu)采用彈塑性各向同性的直梁材料模擬，超前管棚和小導(dǎo)管按照注漿體參數(shù)模擬。圍巖和支護(hù)參數(shù)取值見(jiàn)表2和表3。

圖5 方案3施工工序Fig.5 Construction sequence:CaseⅢ

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

采用分步開挖，每步開挖后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，施工計(jì)算步驟嚴(yán)格按照隧道施工順序進(jìn)行。計(jì)算時(shí)首先計(jì)算原始地應(yīng)力，巖土體的開挖是在前一計(jì)算步驟所得地應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。根據(jù)結(jié)構(gòu)整體剛度的改變，按實(shí)際開挖方法施加地層釋放荷載，并求解開挖后的應(yīng)力場(chǎng)。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of supporting structure

3.3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)3個(gè)模型分別進(jìn)行計(jì)算，隧道施工完成后的豎向位移云圖如圖6所示(本文僅給出推薦方案的豎向位移云圖)，并提取各方案的沉降數(shù)據(jù)，得到如圖7所示的沉降曲線和如表4所示的各方案地表沉降值。為評(píng)估回填土中大跨度隧道初期支護(hù)的安全性，提取各方案初期支護(hù)的最大彎矩圖，如圖8—10所示。

圖6 施工完成后地層豎向位移云圖(單位:m)Fig.6 Contour of vertical displacement of strata after the completion of the tunnel(m)

圖7 各方案地表沉降計(jì)算結(jié)果曲線圖Fig.7 Curves of ground surface settlement calculated under different cases

表4 各方案地表沉降值Table 4 Ground surface settlement calculated under different cases m

地層變形計(jì)算結(jié)果顯示，在采取管棚、導(dǎo)管超前注漿的條件下，3個(gè)方案對(duì)地層影響差別最大為12 mm，且沉降槽形狀略有不同，但均滿足對(duì)地面沉降的保護(hù)要求。

圖8 方案1初期支護(hù)彎矩圖(單位:kN·m)Fig.8 Bending moment of primary support in Case I(kN·m)

圖9 方案2初期支護(hù)彎矩圖(單位:kN·m)Fig.9 Bending moment of primary support in CaseⅡ (kN·m)

圖10 方案3初期支護(hù)彎矩圖(單位:kN·m)Fig.10 Bending moment of primary support in CaseⅢ(kN·m)

初期支護(hù)受力計(jì)算結(jié)果顯示:方案1初期支護(hù)受力最大為邊洞開挖完成狀態(tài)，最大彎矩為507 kN·m，最大彎矩發(fā)生在邊拱與導(dǎo)洞連接位置，由于導(dǎo)洞內(nèi)已完成中隔墻二次襯砌，對(duì)導(dǎo)洞影響較小;方案2初期支護(hù)受力最大為邊洞開挖完成狀態(tài)，最大彎矩為410 kN·m，最大彎矩發(fā)生在邊拱與導(dǎo)洞連接位置，對(duì)導(dǎo)洞影響較小;方案3初期支護(hù)受力最大為邊洞開挖完成狀態(tài)，最大彎矩為299 kN·m，最大彎矩發(fā)生在邊洞豎向隔墻位置。方案3的最大彎矩明顯小于方案1和方案2。

3.4 方案比較與確定

1)根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，在采取管棚和導(dǎo)管超前注漿的條件下，3個(gè)方案的地面最大沉降值為43，55，52 mm，且沉降槽形狀略有不同;但是由于本隧道上方僅有熱力管溝，無(wú)其他敏感建筑物。因此，3個(gè)方案均能滿足對(duì)地面沉降的保護(hù)要求。

2)中隔墻的設(shè)計(jì)。在連拱隧道中，中隔墻由于受到不均衡水平推力而產(chǎn)生的水平位移很難解決，本設(shè)計(jì)中，方案1和方案2的中隔墻在施工期間均產(chǎn)生約10 mm的水平位移，而方案3可以使二次襯砌及早封閉成環(huán)，能有效避免中隔墻水平位移的問(wèn)題。

3)由于隧道結(jié)構(gòu)寬度23.134 m，而覆土僅10.55 m，且隧道覆土為人工填土層，成拱效應(yīng)差，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較大，方案3初期支護(hù)結(jié)構(gòu)最大彎矩較方案1和方案2明顯減小，且方案3能及時(shí)澆筑二次襯砌并封閉成環(huán)，確保結(jié)構(gòu)安全。

4)方案3比方案1節(jié)約15%的工期，初期支護(hù)工程量減少18%。

根據(jù)以上比較結(jié)果，本工程推薦方案3為最優(yōu)方案。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)施工信息反饋

本工程于2011年7月底完工，施工期間未發(fā)生沉降超標(biāo)及其他工程事故。施工過(guò)程中反饋的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本與理論分析相吻合，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的安全性及可靠性。第三方監(jiān)測(cè)布點(diǎn)及監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 沉降測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.11 Layout of settlement monitoring points

1)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，隧道中心位置地面最大沉降值為42 mm，未達(dá)到黃色預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)(設(shè)計(jì)給定地面最大沉降為60 mm，熱力管道傾斜率≤0.002)。

2)在邊洞二次襯砌封閉成環(huán)后，再開挖中間部分土體，對(duì)已完成隧道影響較小。

3)連拱處V字節(jié)點(diǎn)位置易發(fā)生滲漏，施工過(guò)程中應(yīng)做好防水層的保護(hù)和搭接，施工完成后再針對(duì)漏水點(diǎn)進(jìn)行注漿封堵，可滿足隧道防水要求。

圖12 沉降典型測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線圖(2010—2011年)Fig.12 Time-dependent curves of settlement measured at typical monitoring points(from 2010 to 2011)

4 結(jié)論與體會(huì)

1)人工回填土層土質(zhì)疏松，易坍塌，應(yīng)選擇剛度較大的管棚作為防塌方的措施，對(duì)于沉降控制要求更為嚴(yán)格的地段可采用管幕法。

2)采用“導(dǎo)洞法”先施工導(dǎo)洞的初期支護(hù)及二次襯砌，能及時(shí)形成豎向的剛性支撐，對(duì)控制沉降非常有利;但由于工序復(fù)雜，整體工期偏長(zhǎng)，當(dāng)工期允許時(shí)可采用。

3)采用“側(cè)洞法”能有效地避免中隔墻的穩(wěn)定問(wèn)題，控制沉降較好。當(dāng)側(cè)洞寬度較大時(shí)，推薦采用“CRD”法開挖。

4)連拱隧道寬度較大，當(dāng)隧道淺埋時(shí)覆土很難成拱，因此，需步步為營(yíng)，導(dǎo)洞開挖完成后及時(shí)施作二次襯砌，避免初期支護(hù)受力較大而產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。

5)連拱隧道多步開挖對(duì)周邊土體擾動(dòng)較大，特別是結(jié)構(gòu)中部中隔墻上方的土體有著明顯的塑性區(qū)，因此，需加強(qiáng)對(duì)此處土體的加固。

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