廖秋林　李騰飛　李潤軍　孫宏寶　譚文輝

(①北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司　北京　100088)

(②中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司　北京　100088)

(③中國礦業(yè)大學(xué)　北京　100083)

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暗挖隧道雜填土地層馬頭門支護(hù)與開挖方法分析*

廖秋林①李騰飛②李潤軍①孫宏寶③譚文輝③

(①北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司北京100088)

(②中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司北京100088)

(③中國礦業(yè)大學(xué)北京100083)

城市隧道暗挖施工期間拱頂以及地表的沉降量對(duì)施工安全、工程功能及城市道路正常運(yùn)行具有重要意義。淺埋暗挖法施工中各類馬頭門的施工因其受力轉(zhuǎn)換特殊往往是施工過程中關(guān)注的重點(diǎn)。北京地鐵7號(hào)線某區(qū)間暗挖隧道馬頭門處于豎井明挖施工的回填土中，其土質(zhì)情況復(fù)雜、暗挖不確定性因素多。為保證隧道施工和周圍構(gòu)筑物的安全，須對(duì)處于回填土范圍內(nèi)豎井馬頭門的破除與開挖方案進(jìn)行研究。本文根據(jù)地表勘察鉆探和超前探測所獲取的地層資料和工程設(shè)計(jì)資料，應(yīng)用FLAC3D軟件對(duì)馬頭門破除時(shí)的兩個(gè)支護(hù)方案進(jìn)行了對(duì)比分析。施工實(shí)踐與理論分析均表明，采用無收縮(WSS)深孔注漿方案的地表沉降量約是超前小導(dǎo)管支護(hù)方案沉降量的1/2～1/3。

隧道預(yù)留豎井沉降量方案優(yōu)化數(shù)值模擬

0　引　言

淺埋暗挖法在復(fù)雜城市建筑與環(huán)境條件下越來越成為我國日益發(fā)展的地鐵軌道施工的關(guān)鍵施工方法(周曉敏等，2003；趙明，2005；周曉軍等，2008；趙強(qiáng)，2009)。白明洲等(2005)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下淺埋暗挖地鐵車站施工期地面沉降量進(jìn)行了FLAC3D分析與預(yù)測；王金明等對(duì)淺埋暗挖地鐵隧道不同工法對(duì)地表沉降影響的研究(鄭永來等，2005)。其中，斷面轉(zhuǎn)換處由于應(yīng)力較為復(fù)雜往往成為暗挖法施工的風(fēng)險(xiǎn)關(guān)鍵點(diǎn)，尤其是淺埋暗挖法施工中各類馬頭門的施工往往成為設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)，也是施工和監(jiān)理單位施工過程中關(guān)注的重點(diǎn)。北京地鐵4號(hào)線蘇州街塌方即是由于斷面轉(zhuǎn)換的馬頭門控制不利所致。

但是，關(guān)于馬頭門施工安全的系統(tǒng)分析與總結(jié)鮮于報(bào)道；尤其是基于穩(wěn)定性極差的回填土地層中馬頭門開挖與支護(hù)方法的研究更為少見。本文基于北京地鐵7號(hào)線北京西站至灣子站區(qū)間于1995年明挖施工預(yù)留施工豎井馬頭門開挖與支護(hù)的穩(wěn)定性分析、設(shè)計(jì)、施工實(shí)踐，通過數(shù)值模擬分析與現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測相結(jié)合的方法進(jìn)行施工方案的優(yōu)選，并預(yù)測開挖引起的地表沉降及變形，為雜填土地層馬頭門開挖的順利實(shí)施和類似工程提供參考。

1　工程概況

北京地鐵7號(hào)線北京西客站區(qū)間預(yù)留豎井，位于中鐵咨詢大廈與鴻坤國際大酒店之間空地內(nèi)。預(yù)留豎井為1995年明挖施工施作，井壁結(jié)構(gòu)為400mm鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，井深為21m。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料與現(xiàn)場洛陽鏟超前探測(圖1)，預(yù)留豎井進(jìn)地鐵隧道馬頭門處地層均為人工堆積層，隧道底板以下為第四紀(jì)晚更新世沖洪積層(卵石、粉細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化礫巖)，下第三系沉積四大層。豎井馬頭門處場地剖面(圖2)。

圖1　預(yù)留豎井馬頭門處超前探測現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.1　Prediction detection of horsehead in reserved shaft

圖2　豎井地質(zhì)剖面圖Fig.2　Geological section of engineering field①1雜填土；①2回填土；②5圓礫；③圓礫、卵石；④卵石；⑤風(fēng)化礫巖

豎井近3～5年潛水水位標(biāo)高為23.00m，豎井底部標(biāo)高為24.81m，豎井底板位于潛水水位以上。

2　超前支護(hù)方案設(shè)計(jì)

鑒于上述預(yù)留豎井結(jié)構(gòu)特點(diǎn)極其所處回填土這一特殊性，施工前進(jìn)行了充分的調(diào)查。調(diào)查表明，預(yù)留豎井進(jìn)地鐵隧道馬頭門處的人工堆積層回填物不僅有砂卵石、黏土，還有大量混凝土塊、木方、鋼筋頭等建筑垃圾，其力學(xué)特性離散性大、穩(wěn)定性差。因此，在這一不利地層條件下進(jìn)行豎井馬頭門施工沒有成熟的理論，也無類似工程經(jīng)驗(yàn)，存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

為確保施工安全，該豎井馬頭門的施工應(yīng)采取有效的馬頭門加固措施并采用合理的開挖方法(王金明，2008)。結(jié)合既有地鐵施工經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)場實(shí)際情況，確定對(duì)兩種馬頭門施工超前支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比性分析：

(1)超前小導(dǎo)管注漿方案，隧道拱部采用DN25小導(dǎo)管超前注漿，L=2m，環(huán)向間距@300。

(2)無收縮(WSS)深孔注漿方案，隧道拱部以上1.5m范圍由地面采用注漿預(yù)加固土層。

方案設(shè)計(jì)采用FLAC3D進(jìn)行理論分析，F(xiàn)LAC3D是最早將連續(xù)體的快速拉格朗日分析方法應(yīng)用于巖土問題的計(jì)算軟件，其在解決巖土問題上有許多優(yōu)越性，已逐漸成為工程技術(shù)人員理想的三維數(shù)值模擬工具(楊卓文等，2008；漆泰岳等，2010；王鐵男等2010)。

2.1幾何模型

數(shù)值模擬計(jì)算中，根據(jù)地質(zhì)情況將地層分為5層。距預(yù)留豎井井口外邊緣10m范圍內(nèi)均為回填土，隧道矩形斷面的總尺寸為11.4m×6.4m，進(jìn)深為4m。模型尺寸：取馬頭門處淺埋暗挖段沿隧道縱向長度50m，橫向左、右各取隧道寬度的3倍各30m，模型橫向總長度度為71.4m。模型上邊界取至地表，下邊界取至距隧道結(jié)構(gòu)底部以下15m處，高度36.4m。計(jì)算模型(圖3)。

表1　各土層物理力學(xué)參數(shù)表

Table 1　Calculated and measured values of deformation

土層編號(hào)土性厚度/m密度/kg·m-3彈性模量E/MPa泊松比μ體積模量K/MPa剪切模量G/MPa內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/kPa靜止側(cè)壓力系數(shù)1雜填土4.2160016.980.3114.8956.481880.42回填土—180024.000.2818.1829.37511100.383圓礫5.3210035.000.2019.44414.5834000.334圓礫、卵石6.3210045.000.2025.00018.7504500.305卵石7.2215075.000.2244.48430.7634500.286風(fēng)化礫巖13.4216058.000.2234.52423.7742120.28

表2　工程材料的物理力學(xué)參數(shù)

Table 2　Physico-mechanical parameters of engineering materials

圖3　地層概化模型示意圖(單位：m)Fig.3　Sketch map of generalized strata model(m)①.雜填土；②.回填土；③.圓礫；④.圓礫、卵石；⑤.卵石；⑥.風(fēng)化礫巖

模型邊界條件是：側(cè)面和底面為位移邊界，側(cè)面限制水平移動(dòng)，底部限制垂直位移，上邊界為自由面。

2.2巖土體及支護(hù)材料參數(shù)

超前小導(dǎo)管注漿采用水玻璃與稀硫酸混合漿液，無收縮(WSS)深孔注漿采用高強(qiáng)度型CW-3B(H劑、C劑、GS劑、稀釋劑混合液)漿液。開挖中初次襯砌采用C20混凝土噴射，鋼格柵采用HRB335鋼筋制作而成，根據(jù)試驗(yàn)所得出的結(jié)果，各土層的物理力學(xué)參數(shù)(表1)，工程材料的物理力學(xué)參數(shù)(表2)。

在進(jìn)行馬頭門破除支護(hù)方案優(yōu)選時(shí)假設(shè)馬頭門上導(dǎo)洞一次性破除，縱向破除1m，不進(jìn)行初支。馬頭門加固范圍根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)類比與土體松動(dòng)特點(diǎn)綜合確定為洞徑外廓1m范圍。

2.3超前小導(dǎo)管注漿方案

計(jì)算模型網(wǎng)格劃分(圖4)，共有36600個(gè)單元，39321個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中模型中橙黃色區(qū)域?yàn)槌靶?dǎo)管注漿影響范圍。

對(duì)馬頭門上半部破除進(jìn)行數(shù)值模擬，在模擬過程中對(duì)馬頭門拱頂(1號(hào)監(jiān)測點(diǎn))及地表位置(2號(hào)監(jiān)測點(diǎn))進(jìn)行了監(jiān)測，其監(jiān)測結(jié)果(圖5)。豎直方向沉降量等值線圖(圖6)。

圖4　超前小導(dǎo)管注漿模型示意圖Fig.4　Simulation model of advanced small pipe grouting

圖5　馬頭門拱部及地表沉降Fig.5　Settlement in the arch crown and ground in the process of removal horsehead

圖6　豎直方向沉降量等值線圖Fig.6　Isogram of settlement in vertical direction after completion of advanced ductile grouting

從圖中可以看出，馬頭門拱部最終沉降量為6.6cm，地表沉降量為2.6cm。

2.4WSS無收縮深孔注漿方案

計(jì)算模型網(wǎng)格劃分(圖7)，共有50400 個(gè)單元 53805個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中模型中淺藍(lán)色區(qū)域?yàn)閃SS深孔注漿影響范圍。

監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置同上，監(jiān)測結(jié)果(圖8)，得到其豎直方向沉降量等值線圖(圖9)。

圖7　WSS深孔注漿模型示意圖Fig.7　Simulation model of WSS deep hole grouting

圖8　馬頭門拱部及地表沉降Fig.8　Settlement(WSS)in the arch crown and ground in the process of removal horsehead

圖9　WSS深孔注漿豎直方向沉降量等值線圖Fig.9　Isogram of settlement in vertical direction after completion of deep hole grouting without shrinkage

從圖中可以看出，馬頭門拱部最終沉降量為2.20cm，地表沉降量為1.05cm。

2.5支護(hù)設(shè)計(jì)方案確定

由上可見，采用超前小導(dǎo)管注漿方案，馬頭門拱頂?shù)某两禐?.6cm左右；采用WSS(無收縮)深孔注漿方案馬頭門拱頂沉降為2.2cm左右，僅為前者的1/3；從引起沉降的區(qū)域來看，采用WSS深孔注漿方案引起沉降的區(qū)域明顯小于超前小導(dǎo)管注漿方案引起沉降的區(qū)域。因此，采用無收縮深孔注漿方案比超前小導(dǎo)管注漿方案效果要好，也更為安全。究其原因，WSS無收縮深孔注漿方案可以改變隧道開挖起始段土體松散的性狀，增加土體的強(qiáng)度和黏結(jié)性，并達(dá)到阻水的效果。

3　馬頭門WSS深孔注漿實(shí)施與開挖

根據(jù)前文分析，確定采用馬頭門超前支護(hù)WSS無收縮深孔注漿；結(jié)合隧道馬頭門開挖步序進(jìn)行了開挖的理論分析，并與開挖工況進(jìn)行了對(duì)比分析。

3.1WSS深孔注漿實(shí)施

根據(jù)前述分析，馬頭門深孔注漿范圍為自馬頭門向隧道開挖方向10m，初支結(jié)構(gòu)拱頂外擴(kuò)1.5～1.8m、初支側(cè)墻5m以上范圍外擴(kuò)1.5m，具體(圖10)。注漿加固采用自地面鉆孔定向注漿，漿液采用WSS漿液，即水泥A、水玻璃B、磷酸鈉C三液。

圖10　馬頭門注漿加固斷面Fig.10　Grouting reinforcement section of horshead

3.2開挖穩(wěn)定性分析

考慮到加固后的回填土地層中施工馬頭門仍存在較大風(fēng)險(xiǎn)，在開挖方法上將馬頭門斷面盡可能分解成小斷面施工，即采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法，開挖六導(dǎo)洞的施工步序(圖11)。其施工流程為6步驟：

(1)左側(cè)導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖并進(jìn)行初支；

(2)左側(cè)導(dǎo)洞下臺(tái)階開挖并進(jìn)行初支；

(3)右側(cè)導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖并進(jìn)行初支；

(4)右側(cè)導(dǎo)洞下臺(tái)階開挖并進(jìn)行初支；

(5)中導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖并進(jìn)行初支；

(6)中導(dǎo)洞下臺(tái)階開挖并進(jìn)行初支。

之后，拆除臨時(shí)支撐，施作仰拱防水及二襯；依次進(jìn)行拱頂及側(cè)墻二襯施工。由于二襯是在隧道初支結(jié)構(gòu)全部施工完畢后進(jìn)行施作，因此，本文只進(jìn)行初支時(shí)的數(shù)值模擬分析，矩形斷面開挖模型(圖12)。

圖11　六導(dǎo)洞計(jì)算模型開挖順序Fig.11　Excavation sequence of calculation model of six-pilot cavea.左上導(dǎo)洞；b.左下導(dǎo)洞；c.右上導(dǎo)洞；d.右下導(dǎo)洞；e.中上導(dǎo)洞；f.中下導(dǎo)洞

圖12　矩形過渡隧道斷面開挖及監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖Fig.12　Excavation model of the rectangular transient cross-section and the distribution of monitoring points

導(dǎo)洞每循環(huán)進(jìn)尺1m后即做初期支護(hù)，每個(gè)導(dǎo)洞循環(huán)進(jìn)尺4次。開挖支護(hù)數(shù)值模擬中，各監(jiān)測點(diǎn)的在開挖時(shí)步中的位移(圖13)。

圖13　矩形斷面開挖監(jiān)測點(diǎn)位移圖(cm)Fig.13　Displacement of monitoring points in the rectangular cross-section(cm)

從圖13可見，在進(jìn)行第1步開挖時(shí)引起的沉降量較大，為0.65cm，這是由于開挖使原狀土體受到擾動(dòng)所致。右上導(dǎo)洞的開挖沉降增長比較快，引起沉降為0.82cm，這是由于群洞效應(yīng)的影響。左右小導(dǎo)洞的開挖使土體之間相互擾動(dòng)造成沉降量增大，同時(shí)開挖導(dǎo)致沉降區(qū)域也迅速增大，因此，在此工序內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，及時(shí)封閉成環(huán)、回填注漿，做好預(yù)防措施。中上導(dǎo)洞的開挖，引起沉降較小，為0.38cm，拱部沉降區(qū)“桃形”區(qū)域略有增大，這是由于兩邊導(dǎo)洞施工完畢后，支撐強(qiáng)度增大，且土體間客觀存在相互摩擦，限制了移動(dòng)，故中部開挖引起的沉降較小。通過沉降量等值線圖和監(jiān)測點(diǎn)采樣記錄圖發(fā)現(xiàn)，由于上部土體的開挖卸載，隧道底部產(chǎn)生較大的隆起位移5.4cm，在施工過程中應(yīng)做好臨時(shí)仰拱的架設(shè)，從而減少隧道底部的起拱量，保證隧道的凈空高度。側(cè)墻的位移在數(shù)值模擬中較小，但在矩形斷面?zhèn)葔εc拱部和仰拱的直角連接處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易產(chǎn)生較大變形，因此在此部位需要加強(qiáng)支護(hù)，施工中可以采用工字鋼橫撐用于防止側(cè)墻的過大變形。

在隧道斷面施工過程中，在監(jiān)測點(diǎn)1處進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果(圖14)。

圖14　現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比(cm)Fig.14　Comparison of the settlement between monitoring results and computation results(cm)

從圖中可以看出，兩者的曲線基本一致。在現(xiàn)場監(jiān)測記錄中存在的3個(gè)沉降回彈段，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)出于進(jìn)一步加強(qiáng)土體的穩(wěn)定性目的，采取了地面注漿措施，導(dǎo)致地表輕微隆起所致。據(jù)此，應(yīng)用FLAC3D進(jìn)行了矩形過渡斷面施工引起的地表最終沉降量的預(yù)測，得出最終地表沉降為17mm，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求的30mm控制量。

4　結(jié)　語

本文通過對(duì)北京地鐵7號(hào)線預(yù)留豎井馬頭門破除與開挖方案的研究，得到以下結(jié)論：

(1)在豎井馬頭門破除時(shí)，采用WSS深孔注漿方案引起沉降的區(qū)域約為超前小導(dǎo)管注漿方案引起沉降的區(qū)域1/2～1/3左右，而且其最大沉降量為后者的1/3，因此，在回填土層中破除馬頭門，選用無收縮深孔注漿方案比超前小導(dǎo)管注漿方案效果要好，也更為安全。

(2)將馬頭門隧道斷面開挖分為六小導(dǎo)洞逐次開挖，能使沉降量得到有效控制，且減小沉降區(qū)域，本次開挖經(jīng)數(shù)值計(jì)算預(yù)測地表沉降為17mm。根據(jù)塑性區(qū)圖所示破壞范圍，應(yīng)提前做好防范措施，在施工過程中，現(xiàn)場要勤量測，并嚴(yán)格做好支護(hù)措施與質(zhì)量控制、技術(shù)交底等工作，以避免工程事故的發(fā)生。

(3)三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法可以模擬地鐵隧道的開挖支護(hù)和施工過程，很好地反映地鐵施工中隧道巖土體的力學(xué)轉(zhuǎn)換過程，從而對(duì)施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)提前做出預(yù)判，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

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STUDY ON SUPPORT AND EXCAVATION OF HORSEHEAD IN THE RESERVED SHAFT OF A TUNNELL

LIAO Qiulin①LI Tengfei②LI Runjun①SUN Hongbao③TAN Wenhui③

(①Beijing Urban Construction Design & Development Group Co.，Ltd.，Beijing100088)

(②CCCC Highway Consultants CO., Ltd.，Beijing100088)

(③China University of Mining and Technology，Beijing100083)

During tunneling construction in subways，the settlement in arch crown and ground will greatly impact on the construction safety，engineering function and normal operation of urban roads.The soil around the reserved shaft in Beiwan region of No.1 section，No.7 Subway of Beijing is backfilled and complex.In order to ensure the safety of tunneling construction and structures，it’s necessary to do schematic studies on the removal and excavation of horsehead in backfill soils.Based on the data of surface survey drilling and prediction detection of the strata and the engineering design data，the software FLAC3Dis used to study the two reinforcement schematics when the horsehead of the reserved shaft is exploded，also，the arch crown and ground settlements resulted from the construction of six pilot tunnels in the rectangular transient cross-section are simulated and compared with the monitoring results of pilot tunnels’ excavation.The research showed that when the horsehead is removed，the settlement using non-shrinkage grouting of deep hole method was one third to a half of that using advanced small pipe support method.

Subway，Reserved shaft，Settlement，Schematic study，Numerical simulation

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.024

2015-05-20;

2015-12-25.

廖秋林(1977-)，男，博士，高級(jí)工程師，從事軌道交通建設(shè)、設(shè)計(jì)與施工工作.Email：27878587@qq.com

TU47

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