張 杰

(福州理工學(xué)院 福建福州 350000)

0 引言

隨著城市建設(shè)進(jìn)程的加快，大量人口聚集到發(fā)展迅速的地區(qū)，地面交通擁堵現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，所以亟需大力發(fā)展地下空間。由于交通線路受多方面因素的制約，往往會(huì)通過(guò)工程地質(zhì)情況復(fù)雜的地層。 理論上，復(fù)雜地層中進(jìn)行隧道施工是可行的[1-2]，許多學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)的研究。

針對(duì)淺埋暗挖隧道施工進(jìn)行研究的主要方法有：模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算、理論研究等。其中，數(shù)值計(jì)算方法是一個(gè)常用手段，部分學(xué)者采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)其工法進(jìn)行研究[3]，為施工提出了不少有益建議；部分學(xué)者[4-5]對(duì)其支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，試圖找到不同支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)挖時(shí)的受力變形特點(diǎn)，期望針對(duì)不同圍巖配合使用與之相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。部分學(xué)者[7-13]對(duì)開(kāi)挖引起的圍巖變形進(jìn)行研究，試圖擬合出一系列變形公式，在隧道施工前期，對(duì)圍巖變形大小進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便預(yù)先對(duì)可能出現(xiàn)的施工問(wèn)題提出應(yīng)對(duì)措施。

以上研究成果對(duì)一般的軟弱土層較適用，對(duì)于地下水較豐富的土層，施工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題[14]，例如，地下水滲流過(guò)大，嚴(yán)重影響施工進(jìn)程；由于地下水的原因，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及地表沉降影響的范圍增大等。以往研究成果中，地下水一般作為非關(guān)鍵因素，而且由于地質(zhì)情況不同，土層所體現(xiàn)出來(lái)的物理力學(xué)性質(zhì)差別也很大[15]，很難得到一個(gè)普遍性結(jié)果。因此，本文針對(duì)軟弱富水地層淺埋暗挖隧道CD法施工進(jìn)行研究，可為同類工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 工程概況

莞惠城際軌道交通工程位于東莞市寮步鎮(zhèn)，其里程DK32+300～DK32+927.303段采用了上下臺(tái)階四部分CD法施工，如圖1所示。隧道埋深多為9m～15m，超前支護(hù)為3m的Ф42mm超前小導(dǎo)管，使用于隧道上導(dǎo)坑側(cè)壁及拱部180°范圍內(nèi)，環(huán)距0.33m，縱距1m；開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺0.5m，上臺(tái)階5m～7m，其預(yù)留核心土2m～3m，左右導(dǎo)坑工作面縱向間距8m～10m，當(dāng)采用雙線施工時(shí)，開(kāi)挖面前后至少錯(cuò)開(kāi)15m；初期支護(hù)采用縱距0.5m的I20a鋼架(設(shè)兩根3m的Ф42mm鎖腳錨桿，縱向每米設(shè)置一根3.5m的Ф25mm系統(tǒng)徑向砂漿錨桿)及厚度0.3m的C20網(wǎng)噴混凝土(150mm×150mm的Ф8mm鋼筋網(wǎng))；永久支護(hù)為0.55m模筑襯砌。

圖1 CD法施工工法圖

1.1 工程地質(zhì)

取強(qiáng)風(fēng)化(W3)、全風(fēng)化(W4)兩組原狀土進(jìn)行土工試驗(yàn)[16]，所得結(jié)果如表1所示。

表1 混合片麻巖主要指標(biāo)匯總表

1.2 水文地質(zhì)

地質(zhì)勘察期間，地下水初見(jiàn)水位3.1m，穩(wěn)定水位3.4m～7.5m，無(wú)腐蝕性，水質(zhì)較好，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 模型的建立

本文采用ABAQUS有限元計(jì)算軟件進(jìn)行三維模擬，圖2為模型平面示意圖，模型尺寸2.6m×1.6m×1.6m，隧道埋深0.4m，地下水埋深0.2m。使用厚度為1cm的噴混凝土和間隔8cm的拱架進(jìn)行支護(hù)。模型底面約束3個(gè)方向位移，頂面不施加約束，剩余各表面僅約束法向位移。拱架和噴混凝土假設(shè)為彈性材料，鋼架材料屬性采用梁?jiǎn)卧?，噴混凝土采用均質(zhì)實(shí)體單元進(jìn)行模擬。圖3為模型網(wǎng)格劃分示意圖。

圖2 計(jì)算模型平面示意圖

(a)土體網(wǎng)格劃分 (b)支護(hù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖3 網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 參數(shù)的選取

模型土體材料及支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)指標(biāo)[17]，如表2所示。

表2 模型用土及支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

(1)孔隙水壓力場(chǎng)分析

孔隙水壓力隨隧道開(kāi)挖改變較顯著，開(kāi)挖結(jié)束穩(wěn)定后孔隙水壓力場(chǎng)云圖如圖4所示。整體呈現(xiàn)“濾斗狀”，開(kāi)挖區(qū)以外0D～2.5D內(nèi)(D為隧洞寬)孔隙水壓力改變較明顯，之外變化變緩。隧道開(kāi)挖引起地下水位線下降，從而增大了土體有效應(yīng)力，在滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)共同作用下，地表沉降明顯增大。地表沉降由于地下水滲流的原因，范圍也有所增大，所以在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，應(yīng)不斷根據(jù)數(shù)據(jù)情況對(duì)監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行調(diào)整以覆蓋整個(gè)影響區(qū)域。

圖4 開(kāi)挖穩(wěn)定后孔隙水壓力場(chǎng)云圖(單位：Pa)

(2)土體位移場(chǎng)分析

針對(duì)拱腳、邊墻和墻腳3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，分析其水平位移變化，地表、拱頂和拱底3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，分析其豎直位移變化。圖5為位移測(cè)線分布示意圖，L1、L2、L3分別為拱腳、邊墻、墻腳水平位移測(cè)線；L4、L5、L6、L7分別為地表沉降橫向測(cè)線、地表沉降縱向測(cè)線、拱頂沉降測(cè)線、拱底隆起測(cè)線。

(a)水平位移測(cè)線 (b)豎直位移測(cè)線圖5 測(cè)線分布圖

根據(jù)水平位移隨開(kāi)挖的分布曲線(圖6)可知，開(kāi)挖深度至32cm以后，深度20cm處的拱腳、邊墻、墻腳水平位移達(dá)到最大并逐漸趨于穩(wěn)定，最大值分別是0.431mm、0.458mm、0.059mm，中隔墻的拆除對(duì)水平位移影響不大。

邊墻處水平位移最大，所以將開(kāi)挖深度20cm處測(cè)點(diǎn)的邊墻水平位移計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，得到施工過(guò)程中4個(gè)分區(qū)分別產(chǎn)生的水平位移增量值及其百分比，并將匯總結(jié)果列于表3。據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，②區(qū)開(kāi)挖所產(chǎn)生的沉降值最多，①區(qū)其次，③區(qū)、④區(qū)最少，中隔墻的拆除對(duì)邊墻水平位移影響非常小。

(a) 拱腳水平位移沿L1的分布曲線(縱向)

(b) 邊墻水平位移沿L2的分布曲線(縱向)

(c) 墻腳水平位移沿L3的分布曲線(縱向)圖6 水平位移隨開(kāi)挖的分布曲線表3 各開(kāi)挖分區(qū)產(chǎn)生的邊墻水平位移增量及百分比

①區(qū)開(kāi)挖②區(qū)開(kāi)挖④區(qū)開(kāi)挖拆除中隔墻0.1170.1520.0860.00325.55%33.18%18.78%0.66%

隧道開(kāi)挖至20cm后，地表沉降橫向分布曲線，如圖7所示，可用Peck公式進(jìn)行模擬，最大豎直沉降逐漸穩(wěn)定，中隔墻的拆除也會(huì)引起較少的地表沉降。沉降槽隨地下水滲流的影響范圍有所增加，地表沉降最大值也有所增大并偏向于先施工側(cè)，最大值為1.42mm，按模型相似比換算成實(shí)際工程沉降值35.5mm，大于淺埋暗挖法施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的30mm，所以開(kāi)挖前應(yīng)采用超前支護(hù)手段。

圖7 地表沉降沿L4的分布曲線(橫向)

繪制地表沉降縱向分布曲線，如圖8所示，圖中可知，拆除中隔墻會(huì)對(duì)距離開(kāi)挖工作面-D～2D范圍以內(nèi)的地表產(chǎn)生影響，引起的地表沉降最大為1.5mm，所以施工中應(yīng)嚴(yán)格控制隔墻的縱向長(zhǎng)度，防止過(guò)早拆除隔墻影響開(kāi)挖面穩(wěn)定性。

圖8 地表沉降沿L2的分布曲線(縱向)

圖9 地表沉降隨開(kāi)挖變化曲線

開(kāi)挖至測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工作面之前，沉降值高達(dá)2.14mm，如圖9所示，占最終沉降量的79.4%，開(kāi)挖-1D～0D段時(shí)，地表沉降量占63%，所以軟弱富水地層中施工應(yīng)預(yù)先進(jìn)行較強(qiáng)的超前支護(hù)手段。

將開(kāi)挖4個(gè)分區(qū)產(chǎn)生的深度20cm處地表沉降結(jié)果統(tǒng)計(jì)匯總于表4中。由表中數(shù)據(jù)可知，沉降量從大到小依次為：①區(qū)>②區(qū)>④區(qū)>③區(qū)，中隔墻的拆除會(huì)造成一定的沉降，所以①區(qū)開(kāi)挖前應(yīng)預(yù)先施加較強(qiáng)的超前支護(hù)措施，開(kāi)挖完成應(yīng)立刻封閉開(kāi)挖面。

表4 各開(kāi)挖步產(chǎn)生的地表沉降

開(kāi)挖至24cm之后，20cm深度處的拱頂沉降值逐漸趨于穩(wěn)定如圖10所示，最終沉降值為1.92mm，同一斷面上地表最大沉降為1.42mm，兩者相差不大。中隔墻的拆除對(duì)拱頂影響較小。

圖10 拱頂沉降沿L4的分布曲線(縱向)

將開(kāi)挖4個(gè)分區(qū)所產(chǎn)生的深度20cm處拱頂沉降值統(tǒng)計(jì)結(jié)果匯總于表5。由表中數(shù)據(jù)可知，開(kāi)挖引起的沉降規(guī)律與地表沉降相似，所以①區(qū)開(kāi)挖前應(yīng)預(yù)先施加較強(qiáng)的超前支護(hù)，開(kāi)挖完成應(yīng)立刻封閉開(kāi)挖面。

表5 各開(kāi)挖步產(chǎn)生的拱頂沉降

開(kāi)挖至24cm后，20cm深度處的拱底隆起值逐漸趨于穩(wěn)定，如圖11所示。將開(kāi)挖4個(gè)分區(qū)所引起的深度20cm處的拱底隆起值匯總于表6中。開(kāi)挖④區(qū)引起的隆起值最大，中隔墻的拆除造成的影響較小，所以推遲④區(qū)開(kāi)挖時(shí)間，可有效防止拱底隆起值超標(biāo)。

圖11 拱底隆起沿L5的分布曲線(縱向)表6 各分區(qū)產(chǎn)生的拱底隆起值

①區(qū)開(kāi)挖②區(qū)開(kāi)挖③區(qū)開(kāi)挖④區(qū)開(kāi)挖拆除中隔墻0.4220.3370.5190.6450.04421.45%17.13%26.39%32.79%2.24%

(3)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

深度20cm處拱架在未安裝完畢之前，隔墻拱架主要承受壓力，部分區(qū)域有拉力存在，安裝完畢之后，隔墻拱架只承受壓力，說(shuō)明隔墻拱架設(shè)計(jì)較合理。隔墻拱架的安裝對(duì)拱架彎矩值影響較大，軸力值影響較小，特別是拱架拱頂處。拱架受力狀態(tài)隨著隧道開(kāi)挖影響較明顯，影響區(qū)域?yàn)?D～2D。隔墻拱架的拆除對(duì)其余部分內(nèi)力造成顯著的影響，開(kāi)挖穩(wěn)定后如圖12所示，①區(qū)、④區(qū)存在最大彎矩值，②區(qū)、③區(qū)存在較小彎矩值并有負(fù)彎矩；④區(qū)軸力值最大，②區(qū)、③區(qū)軸力值較小，且存在拉力。

(a)彎矩圖(N·m) (b)軸力圖(N)圖12 拱架隨開(kāi)挖的變形云圖

(4)塑性破壞區(qū)

隧道開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖塑性區(qū)從邊墻處向外延伸，開(kāi)挖至36cm深度處逐漸趨于穩(wěn)定；隔墻拱架的拆除增大了圍巖塑性破壞。從圍巖塑性破壞云圖，由圖13可以看出，開(kāi)挖穩(wěn)定后，開(kāi)挖向右側(cè)邊墻圍巖破壞明顯大于左側(cè)，兩側(cè)邊墻處破壞最大，明顯大于拱底和拱頂；②區(qū)和③區(qū)圍巖破壞最大，遠(yuǎn)大于①區(qū)和④區(qū)，①區(qū)及④區(qū)部分土體未發(fā)生塑性破壞，這有可能軟弱富水地層圍巖強(qiáng)度較小，在開(kāi)挖①區(qū)時(shí)，圍壓作用下形成了側(cè)向的內(nèi)拱。

圖13 開(kāi)挖穩(wěn)定后圍巖塑性區(qū)

3 結(jié)論

(1)隧道開(kāi)挖區(qū)以外0D～2.5D內(nèi)(D為隧洞寬)孔隙水壓力改變較明顯，所以在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，應(yīng)不斷根據(jù)數(shù)據(jù)情況對(duì)監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行調(diào)整以覆蓋整個(gè)影響區(qū)域。

(2)拆除中隔墻對(duì)距離開(kāi)挖工作面-D～2D范圍以內(nèi)的地表有一定影響，所以施工中應(yīng)嚴(yán)格控制隔墻的縱向長(zhǎng)度，防止過(guò)早拆除隔墻影響開(kāi)挖面穩(wěn)定性。

(3)采用CD法施工時(shí)，④區(qū)開(kāi)挖引起的隆起值較大，所以推遲④區(qū)開(kāi)挖時(shí)間，可有效防止拱底隆起值超標(biāo)。

(4)拱架受力狀態(tài)隨著隧道開(kāi)挖影響較明顯，影響區(qū)域?yàn)?D～2D。隔墻拱架的拆除對(duì)其余部分內(nèi)力造成顯著的影響，開(kāi)挖穩(wěn)定后，①區(qū)、④區(qū)存在最大彎矩值，②區(qū)、③區(qū)存在較小彎矩值并有負(fù)彎矩；④區(qū)軸力值最大，②區(qū)、③區(qū)軸力值較小，且存在拉力。

(5)開(kāi)挖穩(wěn)定后，開(kāi)挖向右側(cè)邊墻圍巖破壞明顯大于左側(cè)，兩側(cè)邊墻處破壞最大，明顯大于拱底和拱頂；②區(qū)和③區(qū)圍巖破壞最大，遠(yuǎn)大于①區(qū)和④區(qū)，①區(qū)及④區(qū)部分土體未發(fā)生塑性破壞，這有可能軟弱富水地層圍巖強(qiáng)度較小，在開(kāi)挖①區(qū)時(shí)，圍壓作用下形成了側(cè)向的內(nèi)拱。