劉偉偉

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，河南鄭州 450001)

在城市中修建大斷面隧道時(shí)，若隧道所處地層的巖土體自穩(wěn)能力不足，按照一般方法施工可能會(huì)出現(xiàn)隧道塌方及支護(hù)失效等事故。哈爾濱地鐵3號(hào)線湘會(huì)區(qū)間與地鐵6號(hào)線的區(qū)間聯(lián)絡(luò)線隧道凈空斷面面積為150.27 m2，屬于大斷面隧道。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是暗挖法的一種，它將一個(gè)大的開挖面分成多個(gè)小的導(dǎo)洞，分段開挖、及時(shí)支護(hù)、分段推進(jìn)，以保證在特殊環(huán)境下施工的安全[1-2]。利用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖時(shí)，在支護(hù)條件相同的情況下，地面沉降及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與開挖順序有著密切的關(guān)系[3-4]。操太林[5]對(duì)試刀山隧道特殊地質(zhì)段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工應(yīng)用進(jìn)行了研究；李晉寶[6]依據(jù)Peck公式對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道開挖引起的沉降進(jìn)行了預(yù)測(cè)；王夢(mèng)恕[7]根據(jù)北京地鐵現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，認(rèn)為單側(cè)壁與雙側(cè)壁施工工法會(huì)誘發(fā)不同的地表沉降；熊炎林[8]對(duì)復(fù)雜段雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的隧道引起沉降做了分析研究，得出了沉降曲線；康佐等[9]利用數(shù)值模擬的方法，對(duì)淺埋暗挖法地鐵隧道施工誘發(fā)的地層變形進(jìn)行了研究；劉興莊等[10]研究了大斷面公路隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的優(yōu)缺點(diǎn)及其施工要點(diǎn)[11]；張兵兵[12]、張曉琳[13]、劉建平[14]對(duì)大斷面隧道施工引起的地表變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了地層變形機(jī)理和特征，但未與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比。

以哈爾濱地鐵3號(hào)線湘江路站至?xí)怪行恼緟^(qū)間隧道為工程依托，利用MIDAS/GTS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)，對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工引起的地表沉降和隧道變形規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工程背景

1.1 工程概況

哈爾濱地鐵3號(hào)線湘會(huì)區(qū)間南起湘江路車站，北至紅旗大街車站。右線隧道開始里程DK20+657.517，結(jié)束里程為DK21+381.046，長(zhǎng)723.529 m；左線起點(diǎn)里程為DK20+657.517，終點(diǎn)里程為DK21+381.931(設(shè)置長(zhǎng)鏈0.499 m，短鏈3.250 m)，長(zhǎng)721.663 m。本區(qū)間正線線間距為13～17 m。在DK20+717.517處設(shè)置區(qū)間人防結(jié)構(gòu)。在DK21+010.317處設(shè)置區(qū)間2號(hào)豎井聯(lián)絡(luò)通道。在區(qū)間2號(hào)豎井施工橫通道(左線位置)處設(shè)置與6號(hào)線相連接的聯(lián)絡(luò)線。

聯(lián)絡(luò)線處隧道斷面較大(開挖寬度達(dá)14.15 m)，為了便于暗挖施工，減少施工風(fēng)險(xiǎn)，在聯(lián)絡(luò)線與左線交叉線位置增加暗挖開挖面， 利用現(xiàn)狀道路一側(cè)綠地作為施工場(chǎng)地，設(shè)置施工豎井(如圖1所示)。

圖1 聯(lián)絡(luò)線大斷面示意

1.2 工程地質(zhì)

本標(biāo)段位于哈爾濱市南崗區(qū)、香坊區(qū)及道外區(qū)，地貌單元為崗阜狀平原及松花江漫灘， 地勢(shì)由南向北傾斜，高程為147.8～128.0 m， 相對(duì)高差較小。

根據(jù)地質(zhì)資料，本標(biāo)段分布地層由上至下主要為雜填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)中砂、中砂等，如表1所示。

粉質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)一般較為松散，具有黏聚力較低、不均勻、不連續(xù)等特點(diǎn)，且粉質(zhì)黏土成拱效應(yīng)難以自然形成。隧道開挖時(shí)，土體將發(fā)生塑性變形而失穩(wěn)。為了控制巖土體在施工時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的變形，選取雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工。

1.3 隧道參數(shù)

超前支護(hù)采用拱頂深孔注漿加小導(dǎo)管注漿，初期支護(hù)采用350 mm厚網(wǎng)噴砼內(nèi)設(shè)單層鋼筋網(wǎng)和鋼拱架，格柵距離為0.5 m。

隧道斷面尺寸為14.15 m(寬)×10.62 m(高)。在隧道中線左右60°內(nèi)設(shè)置超前小導(dǎo)管(φ42@300 mm，t=3.25，L=3 m，兩榀一打，預(yù)注漿液)。隧道斷面尺寸及縱向開挖步驟分別如圖2、圖3所示。

圖2 聯(lián)絡(luò)線大斷面示意(單位：mm)

圖3 開挖縱剖面施工步驟(單位：m)

2 隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

采用MIDAS/GTS有限元分析軟件，對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的地面沉降及隧道本身變形進(jìn)行分析，不考慮地裂縫的影響。

本區(qū)間聯(lián)絡(luò)線大斷面隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，有6個(gè)導(dǎo)洞。為了保證模擬的精確性，三維模型中各導(dǎo)洞開挖順序與實(shí)際導(dǎo)洞開挖順序保持一致。隧道上覆土層為11.2 m，可分為3層，巖土體采用mohr-coulomb本構(gòu)模型；地鐵隧道一般埋置深度較淺，在計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)時(shí)一般只考慮巖土體自重應(yīng)力，共生成了32 018個(gè)節(jié)點(diǎn)，53 292個(gè)單元。模型的邊界條件為：上表面即地表位置處為自由邊界，其余邊界施加位移約束?？拷淼婪秶鷥?nèi)的網(wǎng)格劃分較密，其他區(qū)域網(wǎng)格劃分較粗。模型尺寸取110 m×81 m×43 m，每施工步開挖進(jìn)尺為0.5 m。小導(dǎo)管超前支護(hù)用實(shí)體單元來(lái)數(shù)值仿真，以增加其強(qiáng)度參數(shù)，形成加固圈。本次模擬工況為隧道埋深11.2 m，模型如圖4，支護(hù)參數(shù)見表2。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 數(shù)值模擬計(jì)算模型

2.2 模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)

模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)與實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置橫向與縱向距離偏差分別在0.5 m范圍之內(nèi)，在每個(gè)計(jì)算階段提取對(duì)應(yīng)的地表橫向與縱向及拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模擬值。

2.3 沉降值控制標(biāo)準(zhǔn)

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目沉降值控制標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 沉降值控制標(biāo)準(zhǔn)

3 模擬結(jié)果與分析

隧道在Z方向的位移云圖如圖5所示。 由圖5可以看出，開挖后土體呈現(xiàn)下沉趨勢(shì)，距離隧道中軸線越近沉降越大，呈“漏斗"狀， 隧道底部有隆起的趨勢(shì)。在模擬開挖時(shí)以0.5 m為一個(gè)開挖步。

圖5 開挖完成后豎向位移云圖

3.1 地表沉降分析

監(jiān)測(cè)斷面取距馬頭門20 m處，當(dāng)6個(gè)導(dǎo)洞開挖完成后，該斷面的地表沉降曲線如圖6所示，1號(hào)導(dǎo)洞施工產(chǎn)生的地表最大沉降量為21.15 mm，沉降曲線在導(dǎo)洞中線兩側(cè)呈對(duì)稱分布。2號(hào)導(dǎo)洞施工使得地表下沉量增至24.22 mm，增加3.07 mm，下沉曲線向右擴(kuò)展。3號(hào)導(dǎo)洞開挖后地表沉降量為25.66 mm，增加1.44 mm。4號(hào)導(dǎo)洞開挖的下沉量為26.13 mm，僅增加0.47 mm。5號(hào)導(dǎo)洞開挖后沉降值為29.11 mm，增加2.98 mm。6號(hào)導(dǎo)洞開挖后沉降量為30.18 mm，增大1.07 mm(大于地表控制值30 mm)。此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控，對(duì)地層進(jìn)行預(yù)注漿處理。從以上地表沉降量數(shù)值結(jié)果可知，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法上部導(dǎo)洞的開挖對(duì)地表沉降的影響大于下部導(dǎo)洞的開挖。

圖6 各導(dǎo)洞開挖地表橫向沉降曲線

監(jiān)測(cè)斷面取距馬頭門10 m處，取1號(hào)導(dǎo)洞、2號(hào)導(dǎo)洞、5號(hào)導(dǎo)洞上方對(duì)應(yīng)的地面三個(gè)測(cè)點(diǎn)為監(jiān)測(cè)對(duì)象，地面縱向沉降時(shí)程曲線如圖7所示。 由圖7可知，1號(hào)導(dǎo)洞施工時(shí)間最早，其前30個(gè)施工步產(chǎn)生的地表沉降量較另外兩個(gè)上導(dǎo)洞略大。當(dāng)施工步為61時(shí)，此時(shí)5號(hào)導(dǎo)洞開始施工，其拱頂上方對(duì)應(yīng)的地表沉降測(cè)點(diǎn)沉降值已達(dá)到24.6 mm，說(shuō)明由于1號(hào)導(dǎo)洞和2號(hào)導(dǎo)洞的施工造成5號(hào)導(dǎo)洞拱頂上方地表出現(xiàn)較大的沉降。當(dāng)施工步到達(dá)86之后，地表縱向沉降曲線趨于穩(wěn)定，故86步以后的施工對(duì)監(jiān)測(cè)斷面位置不造成影響。

圖7 地表沉降時(shí)步曲線

3.2 拱頂下沉分析

支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖8所示，1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)三個(gè)導(dǎo)洞為上導(dǎo)洞，各導(dǎo)洞的拱頂沉降曲線如圖9所示，監(jiān)測(cè)位置為馬頭門洞口處。由圖9可以得知，按照開挖面與監(jiān)測(cè)斷面的距離，曲線可以分為三個(gè)階段。①急劇增大階段：在0～15 m區(qū)段內(nèi)，開挖破壞了原巖土體的平衡狀態(tài)，拱頂下沉速率較大，此階段最大下沉值為-17.79 mm，占拱頂總沉降量的66%。②緩慢增加階段：在15～40 m區(qū)段內(nèi)，初期支護(hù)逐漸形成一定的剛度，拱頂下沉速率減小，沉降量轉(zhuǎn)為緩慢增大。③穩(wěn)定階段：當(dāng)開挖面距離監(jiān)測(cè)斷面大于40 m時(shí)，拱頂沉降曲線趨于穩(wěn)定。 之后，隨著開挖面的不斷推進(jìn)，其對(duì)監(jiān)測(cè)斷面沉降值的影響可以忽略不計(jì)。另一方面，由于1號(hào)和2號(hào)導(dǎo)洞的開挖，使5號(hào)導(dǎo)洞的拱頂沉降量變大，5號(hào)導(dǎo)洞拱頂最大沉降量比兩側(cè)導(dǎo)洞大1～2 mm。 拱頂最終下沉量為28.35 mm(小于拱頂沉降控制值30 mm)，在控制范圍之內(nèi)。

圖8 支護(hù)結(jié)構(gòu)三維網(wǎng)格

圖9 拱頂沉降曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 監(jiān)測(cè)方案

沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用φ150的鉆機(jī)成孔，然后安裝φ18的鋼筋，鋼筋頂部應(yīng)低于路面8 cm左右。 采用帶彎鉤的膨脹螺栓打入拱頂位置作為拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)。地面下沉觀測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)如圖10所示。測(cè)點(diǎn)布置情況如表4所示。

圖10 地表下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)(單位：mm)

序號(hào)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置監(jiān)測(cè)斷面間距/m1地表沉降拱頂上方地表52拱頂沉降拱頂10

4.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

為了對(duì)開挖過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，在隧道上方地面處及支護(hù)結(jié)構(gòu)上布置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖11、圖12所示。其中，地表橫向沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在斷面正上方。地表橫向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)按兩排布置，兩排測(cè)點(diǎn)距離洞口分別為0 m及20 m；地表縱向沉降觀測(cè)點(diǎn)位于隧道洞徑寬度內(nèi)地表之上。

圖11 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意(單位：m)

圖12 隧道變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

4.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

(1)地表沉降

地表沉降曲線如圖13所示。由圖13可知，隨著工作面的推進(jìn)，拱頂上方地面下沉表現(xiàn)為緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。1號(hào)導(dǎo)洞施工較2號(hào)導(dǎo)洞施工早，開始階段，2號(hào)導(dǎo)洞的沉降量小于1號(hào)導(dǎo)洞， 隨著開挖的進(jìn)行，其沉降量大于1號(hào)導(dǎo)洞，且3個(gè)導(dǎo)洞沉降曲線斜率基本一致。25 d時(shí)，地表沉降趨于穩(wěn)定，最大地表沉降量為29.7 mm(小于地表控制值30 mm)，在控制范圍之內(nèi)。

圖13 實(shí)際監(jiān)測(cè)地表沉降曲線

(2)拱頂沉降

隧道拱頂下沉監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖14所示。由圖14可以得知，實(shí)際監(jiān)測(cè)拱頂下沉曲線與模擬計(jì)算拱頂下沉曲線相符合[15]，同樣可分為三個(gè)階段。①急劇增大階段：0～16 m(1倍隧道洞徑)范圍內(nèi)，開挖破壞了原來(lái)巖土體的平衡狀態(tài)，拱頂下沉速率較大，此階段最大下沉值為-20 mm，占拱頂總沉降量的73%。②緩慢增加階段：16～40 m區(qū)段內(nèi)，初期支護(hù)逐漸形成一定的剛度，拱頂下沉速率減小，沉降量轉(zhuǎn)為緩慢增大。③穩(wěn)定階段：當(dāng)開挖面距離監(jiān)測(cè)斷面大于40 m時(shí)，拱頂沉降量趨于穩(wěn)定。實(shí)際監(jiān)測(cè)拱頂最終下沉量為27.23 mm，小于模擬拱頂最終下沉量28.35 mm，這是因?yàn)樵趯?shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，受現(xiàn)場(chǎng)施工條件的限制，拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)時(shí)間會(huì)有一定滯后，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲取的初始值偏小。初期支護(hù)對(duì)約束周圍土體發(fā)生位移有顯著的作用，拱頂沉降主要發(fā)生在1D(隧道洞徑)范圍之內(nèi)。這一階段應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)控。

圖14 實(shí)際監(jiān)測(cè)拱頂沉降曲線

5 結(jié)論

以哈爾濱地鐵3號(hào)線湘會(huì)區(qū)間大斷面隧道開挖為例，研究雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工引起的地表和拱頂下沉變形規(guī)律，得到了以下結(jié)論。

(1)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，地表沉降曲線呈“漏斗”狀，并且沉降曲線沿開挖導(dǎo)洞中線呈對(duì)稱分布，影響范圍為2.5D(D隧道洞徑)左右。

(2)拱頂沉降主要發(fā)生在開挖面與監(jiān)測(cè)斷面距離0～15 m(1倍隧道洞徑)范圍內(nèi)，占拱頂總沉降量的66%；當(dāng)開挖面與監(jiān)測(cè)斷面距離在15～40 m范圍時(shí)，拱頂下沉速率減??；當(dāng)開挖面距離監(jiān)測(cè)斷面大于40 m時(shí)，拱頂沉降量不再增大而趨于穩(wěn)定。

(3)在粉質(zhì)黏土地層中，使用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖大斷面隧道，可以顯著降低地表沉降與支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。