不同斷面形式雙洞隧道開挖順序?qū)Φ乇沓两档挠绊?/h1>
2018-06-11 09:03:26康佩曹志鵬
鐵路技術(shù)創(chuàng)新 2018年2期
■ 康佩 曹志鵬
1 工程概況
北京地鐵14號線是北京市軌道交通路網(wǎng)中一條連接?xùn)|北到西南的“L”形骨干線路，貫穿北京南部和東部。其中東管頭站—麗澤商務(wù)區(qū)站（簡稱東—麗區(qū)間）位于線路中段，配合麗澤商務(wù)區(qū)統(tǒng)籌規(guī)劃。該段區(qū)間沿麗澤路敷設(shè)，兩側(cè)分布有較多低層住宅區(qū)，道路交通量較大。
區(qū)間全長439．573 m，左線為單洞單線隧道，局部為單洞雙線隧道，右線為單洞單線隧道，線間距15．2～16．0 m，覆土11．7～13．9 m。雙線隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，單線隧道采用臺階法和CRD法開挖。區(qū)間平面分布及橫斷面示意見圖1，區(qū)間雙洞雙線橫斷面示意見圖2。
區(qū)間自上而下依次穿越粉質(zhì)黏土、卵石、圓礫等地層，地下水位較低，隧道基本位于地下水位以上。
由圖1可知，當(dāng)左線為單洞雙線隧道時(shí)，區(qū)間左右線結(jié)構(gòu)距離最近，該范圍內(nèi)雙線隧道為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖的C型斷面，單線隧道為CRD法開挖的B型斷面，隧道間凈距約為3．39 m，隧道施工風(fēng)險(xiǎn)等級較高。
圖1 區(qū)間平面分布及橫斷面示意圖
2 隧道開挖前采取的工程加固措施
（1）由于隧道上方有1根直徑為600 mm的給水管線，為保證麗澤路正常通行，區(qū)間隧道施工前，在給水管周圍對土體進(jìn)行地面注漿加固。
（2）在大斷面隧道拱內(nèi)采用雙排小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)加固。
（3）隧道初支中鋼格柵間距為0．5 m，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果必要時(shí)將格柵加密。
圖2 區(qū)間雙洞雙線橫斷面示意圖
（4）采取徑向注漿的方式加固兩斷面之間土體，加固長度不小于60 m。
（5）初期支護(hù)施工時(shí)在拱部預(yù)留DN32注漿管，為填充初期支護(hù)與土層間的空隙，控制地層沉降，當(dāng)初期支護(hù)閉合成環(huán)達(dá)到一定長度后，即對初期支護(hù)背后壓注1∶1水泥漿。
3 數(shù)值模擬分析
3.1 有限元模型建立
利用FLAC有限元計(jì)算軟件，取左右線分別為B、C斷面的區(qū)間范圍建立三維數(shù)值模型。為盡量減少尺寸效應(yīng)對計(jì)算結(jié)果的影響，模型橫向計(jì)算跨度為100 m，豎向計(jì)算范圍為地表面至埋深為3倍隧道洞徑處，縱向計(jì)算長度為50 m（見圖3）。土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，考慮圍巖的非線性變形[1]。
嚴(yán)格按照實(shí)際施工過程設(shè)定開挖步驟，每步開挖完成后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。施工步驟首先計(jì)算原始地應(yīng)力并消除初始位移影響，每步土體開挖計(jì)入上一步所得地應(yīng)力分布[2-7]。
圖3 三維數(shù)值模型
3.2 模型計(jì)算參數(shù)
根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告顯示的地質(zhì)參數(shù)，合并性質(zhì)相似部分的土層，將土體劃分為3層，模型中各材料計(jì)算參數(shù)見表1。
3.3 不同施工順序的模擬計(jì)算
3.3.1 先開挖大斷面隧道
區(qū)間暗挖隧道分導(dǎo)洞先后開挖，開挖進(jìn)尺設(shè)置為10 m，嚴(yán)格按照實(shí)際施工步驟模擬開挖工況，分析每個工況下的地面沉降，進(jìn)而得到開挖過程對地面沉降的影響趨勢。該趨勢可預(yù)測地層沉降，提前采取合理的工程技術(shù)措施。最終地表沉降計(jì)算結(jié)果云圖與地表沉降時(shí)程曲線見圖4、圖5。
通過計(jì)算可得，地表最終沉降累積值為29 mm，發(fā)生位置為大斷面隧道中線偏右2．26 m處。通過對比每一施工步驟所引起的地表沉降值可知，沉降較大值出現(xiàn)在拆掉內(nèi)部臨時(shí)支撐后澆筑二襯的間歇，地表沉降值占總數(shù)的79%左右。此外，小斷面隧道的開挖對地表沉降最終值產(chǎn)生的影響較小，約為總沉降值的7%。
采用先開挖大斷面的施工順序，當(dāng)模型中大斷面開挖貫通后，縱向中點(diǎn)處（25 m）地表橫向沉陷槽見圖6。
表1 各土層及材料的模型計(jì)算參數(shù)
圖4 先開挖大斷面隧道時(shí)地表最終沉降云圖
圖5 先開挖大斷面隧道時(shí)地表沉降時(shí)程曲線
圖6 大斷面貫通后隧道縱向中點(diǎn)處地表橫向沉陷槽
當(dāng)小斷面開挖貫通后，模型縱向長度中點(diǎn)處地表橫向沉陷槽見圖7。
3.3.2 先開挖小斷面隧道
開挖進(jìn)尺不變，先對小斷面隧道進(jìn)行開挖，地表最終沉降云圖見圖8。
通過計(jì)算可得，地表最終沉降累積值為21 mm，發(fā)生位置為隧道大斷面中線偏右2．03 m處，這一沉降值明顯小于先開挖大斷面隧道所引起的地表沉降值。
采用先開挖小斷面的施工順序，當(dāng)小斷面開挖貫通后，縱向中點(diǎn)處（25 m）地表橫向沉陷槽見圖9。
當(dāng)大斷面開挖貫通后，模型縱向長度中點(diǎn)處地表橫向沉陷槽見圖10。
圖7 小斷面貫通后隧道縱向中點(diǎn)處地表橫向沉陷槽
圖8 先開挖小斷面隧道時(shí)地表最終沉降云圖
圖9 小斷面貫通后隧道縱向中點(diǎn)處地表橫向沉陷槽
圖10 大斷面貫通后隧道縱向中點(diǎn)處地表橫向沉陷槽
4 施工監(jiān)測
該段區(qū)間已竣工，實(shí)際施工順序?yàn)橄乳_挖大斷面隧道，施工過程中監(jiān)測布點(diǎn)平面見圖11。
根據(jù)施工現(xiàn)場地表監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可得到在隧道開挖進(jìn)尺為50 m時(shí)，縱向長度25 m處的地表沉陷槽（見圖12）。
由圖12可知，數(shù)值分析得到的地表沉降趨勢與實(shí)際情況整體較為符合，計(jì)算結(jié)果大于實(shí)測值。原因?yàn)椋核淼朗┕r(shí)采取了地面注漿加固與超前小導(dǎo)管注漿等措施，而在模擬計(jì)算中，這些措施的參數(shù)取值較??；模擬建模過程中，為計(jì)算簡便將地層進(jìn)行簡化，而實(shí)際施工過程中地層會存在不均勻性，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果有所偏差。雖然數(shù)值模擬結(jié)果較實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)有所偏差，但較符合模擬施工對地表沉降影響的趨勢，可作為指導(dǎo)施工的輔助手段。
通過對比分析不同開挖順序的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，建議在相似的工程案例中，可采取先施工小斷面隧道的開挖順序，盡量降低地鐵施工引起的地表沉降。
5 結(jié)論與建議
（1）在區(qū)間隧道進(jìn)行暗挖法施工之前，可根據(jù)具體工程情況建立合理的有限元模型，利用數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果預(yù)測開挖過程中產(chǎn)生的地表位移趨勢，對實(shí)際工程有一定指導(dǎo)意義。
（2）地鐵區(qū)間進(jìn)行不同斷面雙洞隧道暗挖施工時(shí)，在綜合考慮施工場地布置、工籌安排的情況下，為控制地表沉降值，可采取先開挖較小斷面的施工順序。
（3）區(qū)間隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工對地表產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)大于CRD法施工，施工時(shí)要加強(qiáng)監(jiān)控量測，密切關(guān)注重點(diǎn)區(qū)域，必要時(shí)采取合理的控制措施。
（4）有限元計(jì)算結(jié)果較實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)偏大，說明在實(shí)際施工過程中，采取合理的加固措施可有效控制地表沉降，減少地鐵施工對環(huán)境的影響。
圖11 隧道施工監(jiān)測布點(diǎn)平面圖
圖12 實(shí)際施工監(jiān)測地表沉陷槽
[1] 王霆．地鐵淺埋暗挖法施工對鄰近管線的影響與控制[D]．北京：北京交通大學(xué)，2008．
[2] 劉維寧．北京地鐵復(fù)八線天安門西車站暗挖施工對地層沉降以及管線變形的影響[J]．土木工程學(xué)報(bào)，2000，33(4)：47-50．
[3] 吳波，高波．地鐵區(qū)間隧道施工對近鄰管線影響的三維數(shù)值模擬[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002(2)：2 451-2 456．
[4] 段光杰．地鐵隧道施工擾動對地表沉降和管線變形的影響的理論和方法研究[D]．北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2002．
[5] 劉波，陶龍光．地鐵雙隧道施工誘發(fā)地表沉降預(yù)測研究與應(yīng)用[J]．中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，35(3)：356-361．
[6] 劉大剛，陶德敬，王明年．地鐵雙隧道施工引起地表沉降及變形的隨機(jī)預(yù)測方法[J]．巖土力學(xué)，2008，29(12)：3 422-3 426．
[7] 齊震明，李鵬飛．地鐵區(qū)間淺埋暗挖隧道地表沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)[J]．北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，34(3)：117-121．
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區(qū)間全長439．573 m，左線為單洞單線隧道，局部為單洞雙線隧道，右線為單洞單線隧道，線間距15．2～16．0 m，覆土11．7～13．9 m。雙線隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，單線隧道采用臺階法和CRD法開挖。區(qū)間平面分布及橫斷面示意見圖1，區(qū)間雙洞雙線橫斷面示意見圖2。
區(qū)間自上而下依次穿越粉質(zhì)黏土、卵石、圓礫等地層，地下水位較低，隧道基本位于地下水位以上。
由圖1可知，當(dāng)左線為單洞雙線隧道時(shí)，區(qū)間左右線結(jié)構(gòu)距離最近，該范圍內(nèi)雙線隧道為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖的C型斷面，單線隧道為CRD法開挖的B型斷面，隧道間凈距約為3．39 m，隧道施工風(fēng)險(xiǎn)等級較高。
圖1 區(qū)間平面分布及橫斷面示意圖
2 隧道開挖前采取的工程加固措施
（1）由于隧道上方有1根直徑為600 mm的給水管線，為保證麗澤路正常通行，區(qū)間隧道施工前，在給水管周圍對土體進(jìn)行地面注漿加固。
（2）在大斷面隧道拱內(nèi)采用雙排小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)加固。
（3）隧道初支中鋼格柵間距為0．5 m，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果必要時(shí)將格柵加密。
圖2 區(qū)間雙洞雙線橫斷面示意圖
（4）采取徑向注漿的方式加固兩斷面之間土體，加固長度不小于60 m。
（5）初期支護(hù)施工時(shí)在拱部預(yù)留DN32注漿管，為填充初期支護(hù)與土層間的空隙，控制地層沉降，當(dāng)初期支護(hù)閉合成環(huán)達(dá)到一定長度后，即對初期支護(hù)背后壓注1∶1水泥漿。
3 數(shù)值模擬分析
3.1 有限元模型建立
利用FLAC有限元計(jì)算軟件，取左右線分別為B、C斷面的區(qū)間范圍建立三維數(shù)值模型。為盡量減少尺寸效應(yīng)對計(jì)算結(jié)果的影響，模型橫向計(jì)算跨度為100 m，豎向計(jì)算范圍為地表面至埋深為3倍隧道洞徑處，縱向計(jì)算長度為50 m（見圖3）。土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，考慮圍巖的非線性變形[1]。
嚴(yán)格按照實(shí)際施工過程設(shè)定開挖步驟，每步開挖完成后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。施工步驟首先計(jì)算原始地應(yīng)力并消除初始位移影響，每步土體開挖計(jì)入上一步所得地應(yīng)力分布[2-7]。
圖3 三維數(shù)值模型
3.2 模型計(jì)算參數(shù)
根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告顯示的地質(zhì)參數(shù)，合并性質(zhì)相似部分的土層，將土體劃分為3層，模型中各材料計(jì)算參數(shù)見表1。
3.3 不同施工順序的模擬計(jì)算
3.3.1 先開挖大斷面隧道
區(qū)間暗挖隧道分導(dǎo)洞先后開挖，開挖進(jìn)尺設(shè)置為10 m，嚴(yán)格按照實(shí)際施工步驟模擬開挖工況，分析每個工況下的地面沉降，進(jìn)而得到開挖過程對地面沉降的影響趨勢。該趨勢可預(yù)測地層沉降，提前采取合理的工程技術(shù)措施。最終地表沉降計(jì)算結(jié)果云圖與地表沉降時(shí)程曲線見圖4、圖5。
通過計(jì)算可得，地表最終沉降累積值為29 mm，發(fā)生位置為大斷面隧道中線偏右2．26 m處。通過對比每一施工步驟所引起的地表沉降值可知，沉降較大值出現(xiàn)在拆掉內(nèi)部臨時(shí)支撐后澆筑二襯的間歇，地表沉降值占總數(shù)的79%左右。此外，小斷面隧道的開挖對地表沉降最終值產(chǎn)生的影響較小，約為總沉降值的7%。
采用先開挖大斷面的施工順序，當(dāng)模型中大斷面開挖貫通后，縱向中點(diǎn)處（25 m）地表橫向沉陷槽見圖6。
表1 各土層及材料的模型計(jì)算參數(shù)
圖4 先開挖大斷面隧道時(shí)地表最終沉降云圖
圖5 先開挖大斷面隧道時(shí)地表沉降時(shí)程曲線
圖6 大斷面貫通后隧道縱向中點(diǎn)處地表橫向沉陷槽
當(dāng)小斷面開挖貫通后，模型縱向長度中點(diǎn)處地表橫向沉陷槽見圖7。
3.3.2 先開挖小斷面隧道
開挖進(jìn)尺不變，先對小斷面隧道進(jìn)行開挖，地表最終沉降云圖見圖8。
通過計(jì)算可得，地表最終沉降累積值為21 mm，發(fā)生位置為隧道大斷面中線偏右2．03 m處，這一沉降值明顯小于先開挖大斷面隧道所引起的地表沉降值。
采用先開挖小斷面的施工順序，當(dāng)小斷面開挖貫通后，縱向中點(diǎn)處（25 m）地表橫向沉陷槽見圖9。
當(dāng)大斷面開挖貫通后，模型縱向長度中點(diǎn)處地表橫向沉陷槽見圖10。
圖7 小斷面貫通后隧道縱向中點(diǎn)處地表橫向沉陷槽
圖8 先開挖小斷面隧道時(shí)地表最終沉降云圖
圖9 小斷面貫通后隧道縱向中點(diǎn)處地表橫向沉陷槽
圖10 大斷面貫通后隧道縱向中點(diǎn)處地表橫向沉陷槽
4 施工監(jiān)測
該段區(qū)間已竣工，實(shí)際施工順序?yàn)橄乳_挖大斷面隧道，施工過程中監(jiān)測布點(diǎn)平面見圖11。
根據(jù)施工現(xiàn)場地表監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可得到在隧道開挖進(jìn)尺為50 m時(shí)，縱向長度25 m處的地表沉陷槽（見圖12）。
由圖12可知，數(shù)值分析得到的地表沉降趨勢與實(shí)際情況整體較為符合，計(jì)算結(jié)果大于實(shí)測值。原因?yàn)椋核淼朗┕r(shí)采取了地面注漿加固與超前小導(dǎo)管注漿等措施，而在模擬計(jì)算中，這些措施的參數(shù)取值較??；模擬建模過程中，為計(jì)算簡便將地層進(jìn)行簡化，而實(shí)際施工過程中地層會存在不均勻性，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果有所偏差。雖然數(shù)值模擬結(jié)果較實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)有所偏差，但較符合模擬施工對地表沉降影響的趨勢，可作為指導(dǎo)施工的輔助手段。
通過對比分析不同開挖順序的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，建議在相似的工程案例中，可采取先施工小斷面隧道的開挖順序，盡量降低地鐵施工引起的地表沉降。
5 結(jié)論與建議
（1）在區(qū)間隧道進(jìn)行暗挖法施工之前，可根據(jù)具體工程情況建立合理的有限元模型，利用數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果預(yù)測開挖過程中產(chǎn)生的地表位移趨勢，對實(shí)際工程有一定指導(dǎo)意義。
（2）地鐵區(qū)間進(jìn)行不同斷面雙洞隧道暗挖施工時(shí)，在綜合考慮施工場地布置、工籌安排的情況下，為控制地表沉降值，可采取先開挖較小斷面的施工順序。
（3）區(qū)間隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工對地表產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)大于CRD法施工，施工時(shí)要加強(qiáng)監(jiān)控量測，密切關(guān)注重點(diǎn)區(qū)域，必要時(shí)采取合理的控制措施。
（4）有限元計(jì)算結(jié)果較實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)偏大，說明在實(shí)際施工過程中，采取合理的加固措施可有效控制地表沉降，減少地鐵施工對環(huán)境的影響。
圖11 隧道施工監(jiān)測布點(diǎn)平面圖
圖12 實(shí)際施工監(jiān)測地表沉陷槽
[1] 王霆．地鐵淺埋暗挖法施工對鄰近管線的影響與控制[D]．北京：北京交通大學(xué)，2008．
[2] 劉維寧．北京地鐵復(fù)八線天安門西車站暗挖施工對地層沉降以及管線變形的影響[J]．土木工程學(xué)報(bào)，2000，33(4)：47-50．
[3] 吳波，高波．地鐵區(qū)間隧道施工對近鄰管線影響的三維數(shù)值模擬[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002(2)：2 451-2 456．
[4] 段光杰．地鐵隧道施工擾動對地表沉降和管線變形的影響的理論和方法研究[D]．北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2002．
[5] 劉波，陶龍光．地鐵雙隧道施工誘發(fā)地表沉降預(yù)測研究與應(yīng)用[J]．中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，35(3)：356-361．
[6] 劉大剛，陶德敬，王明年．地鐵雙隧道施工引起地表沉降及變形的隨機(jī)預(yù)測方法[J]．巖土力學(xué)，2008，29(12)：3 422-3 426．
[7] 齊震明，李鵬飛．地鐵區(qū)間淺埋暗挖隧道地表沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)[J]．北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，34(3)：117-121．
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