李世麟, 楊洪譽(yù), 張志強(qiáng), 殷召念

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，使得現(xiàn)代城市地下軌道交通建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，而這種地下軌道交通往往需要建在由生活或建筑垃圾堆積所形成城市雜填土層中。為更有效利用土地資源，有學(xué)者對(duì)停用的垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行沉降控制和土層加固技術(shù)研究[1]。而針對(duì)雜填土工程特點(diǎn)及力學(xué)特性研究主要集中在地層未擾動(dòng)的建筑地基中。由于雜填土組成復(fù)雜，影響因素繁多，其中有不少問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。

重慶軌道交通十號(hào)線中央公園站至中央公園西站工程(全長(zhǎng)851.337 m，起迄里程為K39+250.531～K40+101.868)，區(qū)間隧道穿越雜填土區(qū)，隧道拱頂埋深18～23 m，隧道整體處于雜填土內(nèi)，隧道底部雜填土深度0～8 m，探究在隧道穿越地形地質(zhì)條件復(fù)雜(主要穿越雜填土層)，隧道拱頂埋深較淺，暗挖車站開(kāi)挖斷面大等施工問(wèn)題研究。從人工雜填土(雜填土)工程特點(diǎn)及力學(xué)特性入手，進(jìn)行淺埋暗挖雜填土大斷面車站隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究，對(duì)隧道工程優(yōu)化設(shè)計(jì)、縮短工期、保障結(jié)構(gòu)安全和節(jié)約建設(shè)費(fèi)用等起到重要的作用。

1 人工雜填土工程力學(xué)特性

1.1 人工雜填土的構(gòu)造特點(diǎn)和影響因素

雜填土特點(diǎn)包括：組成成分各異，顆粒尺寸懸殊[2]；孔隙大小不一；回填前地表的不平整造成土層厚度變化大；回填時(shí)間差異大[3]；勘察取樣困難，很難提出具體的承載力值，承載力一般較低，為60～120 kPa[4]；組成成分形成的時(shí)間對(duì)其性質(zhì)影響很大；地下水的侵蝕作用下使得宏觀構(gòu)造差異明顯。影響人工雜填土的因素有：(1)堆積年限；(2)填料及其組合性質(zhì)；(3)密實(shí)程度；(4)地下水侵蝕影響；(5)下臥層巖性的影響。

1.2 人工雜填土場(chǎng)區(qū)分布和成層特點(diǎn)

人工雜填土因?yàn)槭苋藶榈囊蛩赜绊?，所以分布范圍比較有隨意性，但主要分布在人類活動(dòng)過(guò)的區(qū)域，像一些老的城區(qū)、工業(yè)礦區(qū)、城市近郊等[5]。

通常來(lái)講，埋置深度比較大的雜填土層一般都是老填土，表層為新填土[6]。老填土在上覆地層的壓力，人類的活動(dòng)以及雨水的滲透作用下，固結(jié)沉降相對(duì)表層的雜填土來(lái)說(shuō)要好一些，壓縮性小，孔隙率也小。在跨越很長(zhǎng)時(shí)間后，雜填土層不同的堆疊層之間物質(zhì)成分、力學(xué)參數(shù)等變化就會(huì)很大，這受制于堆疊層所在時(shí)間段社會(huì)生產(chǎn)生活的水平。

1.3 人工雜填土的力學(xué)特性

雜填土的工程力學(xué)特性主要包括：剪切強(qiáng)度、變形模量、泊松比、滲透系數(shù)、重度、含水量、孔隙率、孔隙比、壓縮系數(shù)。雜填土物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 雜填土物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2 淺埋暗挖車站隧道受力分析

本工程區(qū)域環(huán)境敏感(上覆道路、隧道等)、穿越地層復(fù)雜(雜填土)、車站斷面超大(≥400 m2)。選取交叉中隔壁法(CRD)、三臺(tái)階七步法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行對(duì)比研究。

2.1 模型構(gòu)建

利用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行計(jì)算，采用摩爾庫(kù)倫巖土本構(gòu)模型(圖1～圖3)。

圖1 交叉中隔壁法(CRD)開(kāi)挖數(shù)值模型

圖2 三臺(tái)階七步法開(kāi)挖數(shù)值模型

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖數(shù)值模型

2.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

2.2.1 圍巖位移

城市地鐵建設(shè)，地表沉降和地層位移是最重要的控制指標(biāo)。隧道開(kāi)挖引起的圍巖位移圖如圖4～圖6。

圖6 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法圍巖位移場(chǎng)

根據(jù)以上三種開(kāi)挖工法的數(shù)值模擬結(jié)果，得到的位移變化結(jié)果隨開(kāi)挖引起的不同數(shù)值如表2。

表2 三種開(kāi)挖工法計(jì)算結(jié)果對(duì)照 mm

2.2.1.1 地表沉降

在雜填土地層中修建大斷面隧道引起的地表沉降很大，其中交叉中隔壁法(CRD)開(kāi)挖引起的地表累計(jì)沉降為14.19 mm，三臺(tái)階七步法為66.36 mm，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法為10.31 mm。其中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的地表累計(jì)沉降值最小，三臺(tái)階七步法引起的地表累計(jì)沉降值最大。交叉中隔壁法(CRD)的地表沉降值略大于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。所以從地表沉降量來(lái)看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是適合的施工方法，三臺(tái)階七步法開(kāi)挖不恰當(dāng)。

2.2.1.2 拱頂沉降

從圖7～圖9可看出，三種工法的拱頂累計(jì)最大沉降分別為27.84 mm、87.32 mm和18.71 mm。其中，拱頂在掌子面開(kāi)挖的時(shí)候出現(xiàn)陡降。交叉中隔壁法(CRD)掌子面開(kāi)挖之前各工序造成的拱頂沉降量占總沉降值的12.3 %，三臺(tái)階七步法為17.91 %，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法為12.60 %。CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的拱頂沉降曲線出現(xiàn)了兩次的陡降，分別在掌子面開(kāi)挖到達(dá)該特征點(diǎn)時(shí)和拆除中隔柱或開(kāi)挖核心土?xí)r。三臺(tái)階七步法的拱頂沉降值最大，已經(jīng)超出了該工程設(shè)計(jì)的極限控制標(biāo)準(zhǔn)值，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的值最小。

圖7 交叉中隔壁法拱頂沉降變化曲線

圖8 三臺(tái)階七步法拱頂沉降變化曲線

圖9 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱頂沉降變化曲線

2.2.1.3 洞周水平收斂

從表2可看出，交叉中隔壁法(CRD)洞周水平收斂累計(jì)值約為8.16 mm，三臺(tái)階七步法約為22.14 mm，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法約為6.58 mm。三種工法中，洞周水平收斂最小的是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，最大的是三臺(tái)階七步法，交叉中隔壁法(CRD)的洞周水平收斂值位于兩者之間，其中，最小值比最大值少70.3 %，比中間值少19.4 %。

2.2.2 襯砌內(nèi)力分析

在三種工法中，三臺(tái)階七步法的位移已超出極限控制標(biāo)準(zhǔn)。而交叉中隔壁法(CRD)和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法位移值均在極限控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，且相差不大。整理數(shù)值模擬結(jié)果，得到交叉中隔壁法(CRD)和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法各開(kāi)挖步序下支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力值(表3)。

表3 交叉中隔壁法開(kāi)挖步序引起的主應(yīng)力值 kPa

從圖4和表3可以看出，交叉中隔壁法(CRD)下襯砌的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力隨著開(kāi)工序的進(jìn)行，基本呈增大趨勢(shì)。其中，開(kāi)挖右下導(dǎo)洞時(shí)最大主應(yīng)力值最大，為2 685.4 kPa，位于仰拱附近，在所有工序完成之后，最大主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在仰拱位置。開(kāi)挖右上導(dǎo)洞和右中導(dǎo)洞時(shí)會(huì)造成拱頂?shù)淖畲笾鲬?yīng)力(拉應(yīng)力)忽然增大。

最小主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在開(kāi)挖右上導(dǎo)洞時(shí)，其值為4 927.6 kPa，位置在豎向鋼支撐，這是因?yàn)橛覀?cè)土體的突然開(kāi)挖引起的豎向荷載承載物減少造成的，最終穩(wěn)定在4 101.8 kPa，位置在左邊墻。不同開(kāi)挖步下會(huì)造成邊墻和鋼支撐的最小主應(yīng)力值(壓應(yīng)力)一直處于比較大的水平，而且在開(kāi)挖右側(cè)導(dǎo)洞時(shí)，鋼支撐的最小主應(yīng)力值(壓應(yīng)力)會(huì)突然增大。

從圖6和表4可看出，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法下襯砌的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力隨開(kāi)挖基本呈增大趨勢(shì)。其中開(kāi)挖中隔柱下部時(shí)最大主應(yīng)力值最大，為3 769.5 kPa，位于仰拱附近。在所有工序完成之后，最大主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在左右邊墻位置。拆除臨時(shí)仰拱，開(kāi)挖中部土?xí)r會(huì)造成拱頂最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)突然增大，拆除臨時(shí)仰拱和鋼支撐時(shí)會(huì)引起邊墻、拱肩與仰拱最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)突然增大。

最小主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在拆除豎向鋼支撐時(shí)，其值為5 148 kPa，位置在邊墻。不同開(kāi)挖步下會(huì)造成邊墻和鋼支撐的最小主應(yīng)力值(壓應(yīng)力)一直處于比較大的水平，而且在拆除臨時(shí)仰拱和鋼支撐，開(kāi)挖中隔柱上部時(shí)，鋼支撐的最小主應(yīng)力值(壓應(yīng)力)會(huì)突然增大。

隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)要求至少為2.4，從圖10、圖11可看出，兩種工法的安全系數(shù)均滿足，且在邊墻處安全系數(shù)較大。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)交叉中隔壁法(CRD)安全系數(shù)比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的要大。

表4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖步序引起的主應(yīng)力值 kPa

圖10 交叉中隔壁法(CRD)安全系數(shù)分布

從襯砌內(nèi)力的角度講，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工是滿足施工安全的，但是交叉中隔壁法(CRD)是雜填土大斷面隧道開(kāi)挖的更合適的工法。

2.3 隧道施工工法的優(yōu)化選擇

從圍巖位移上看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是三種工法中最好的施工方案；從襯砌內(nèi)力上分析，交叉中隔壁法(CRD)為最優(yōu)。

比較來(lái)看，三臺(tái)階七步法因不需要做臨時(shí)仰拱支護(hù)和鋼支撐，所以施工工序簡(jiǎn)單、難度較小、開(kāi)挖進(jìn)度快，但因該工法的位移已超出極限控制標(biāo)準(zhǔn)，故不能作為雜填土大斷面隧道開(kāi)挖的合適工法。

在城市敏感環(huán)境下，雜填土大斷面開(kāi)挖的隧道的開(kāi)挖最合適的工法是交叉中隔壁法。

3 結(jié)論

(1)雜填土的特點(diǎn)包括：組成成分各異，顆粒尺寸懸殊；孔隙大小不一；回填前地表的不平整造成土層厚度變化大；回填時(shí)間差異大；組成成分形成的時(shí)間對(duì)其性質(zhì)的影響很大；地下水的侵蝕作用下使得宏觀構(gòu)造差異明顯。

(2)在城市敏感環(huán)境下，雜填土大斷面開(kāi)挖的隧道的開(kāi)挖最合適的工法是交叉中隔壁法(CRD)。在先開(kāi)挖左側(cè)前提下，開(kāi)挖右側(cè)導(dǎo)洞與拆除臨時(shí)仰拱與鋼支撐時(shí)會(huì)造成圍巖位移與襯砌內(nèi)力的突然增大，是施工中需要重點(diǎn)注意的關(guān)鍵步序，反之亦然。所以在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)必須要注意施工的質(zhì)量，做好監(jiān)控量測(cè)工作，確保施工的安全。

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