徐國(guó)， 王猛， 高峰， 吳世偉

(1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 重慶市 400074； 2.中車建設(shè)工程有限公司)

1 引言

城市軌道交通建設(shè)由于受復(fù)雜環(huán)境的限制，修建大斷面淺埋暗挖隧道不可避免，也是現(xiàn)代施工技術(shù)面臨的巨大挑戰(zhàn)。近年來(lái)，重慶地區(qū)建設(shè)了大量的超大斷面隧道工程，如重慶輕軌3號(hào)線與6號(hào)線換乘站紅旗河溝站、輕軌2號(hào)線臨江門站工程；其中陳林杰、王國(guó)欣等研究了超大斷面淺埋暗挖隧道的開(kāi)挖方法；蔣樹(shù)屏、丁改改等進(jìn)行了大斷面隧道施工方案的優(yōu)化研究；李明、王亮對(duì)淺埋偏壓大斷面隧道時(shí)空效應(yīng)與支護(hù)時(shí)機(jī)進(jìn)行了研究；鄭瑞永、金洋洋等對(duì)深埋隧道錨桿的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。這些研究主要在隧道施工方法、支護(hù)的時(shí)空效應(yīng)和深埋隧道的支護(hù)參數(shù)優(yōu)化上，而淺埋暗挖大斷面隧道的支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究還非常不足，未形成系統(tǒng)、完善的參數(shù)選擇方法，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的參考作用相當(dāng)有限，再加上工程跨度大、具體工程地質(zhì)條件和周邊環(huán)境的復(fù)雜性，所以難以直接套用已建工程的成功經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)于減少工程成本、加快施工進(jìn)度、節(jié)約資源非常不利。因此，對(duì)大斷面地鐵車站隧道的支護(hù)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行研究十分必要，該文結(jié)合重慶地鐵四號(hào)線頭塘車站工程，對(duì)大斷面隧道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)研究。

2 工程概況

頭塘車站暗挖隧道為四號(hào)線與九號(hào)線換乘車站，是重慶地鐵四號(hào)線的核心工程。車站總長(zhǎng)237 m，開(kāi)挖面積大，屬于超大斷面淺埋暗挖隧道。頭塘站為地下3層島式暗挖車站，呈東西向布置軌道交通，四號(hào)線與九號(hào)線疊島設(shè)置，四號(hào)線在上，九號(hào)線在下，凈寬23.1 m，凈高25.34 m，里程K17+360處于雙層滑裂帶處；車站掌子面巖層為砂質(zhì)泥巖,車站隧道拱頂覆蓋層厚度20.0～32.4 m，地表人工填土厚度2.1～3.0 m。圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，襯砌內(nèi)輪廓線為三心圓曲墻，中隔墻采用預(yù)留T形巖梁；由于斷面過(guò)大，二次襯砌采用由底向上逐漸完成，最終形成整體全環(huán)向閉合。

初期支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。施工方法：拱部預(yù)留T形巖梁狀核心土雙側(cè)導(dǎo)坑法施工，具體施工工序見(jiàn)圖2。

施工步驟：

(1) 雙側(cè)壁①步開(kāi)挖，做初期支護(hù)。

(2) ①部開(kāi)挖后底部施加鋼支撐，雙側(cè)壁第②、③、④步開(kāi)挖，做初期支護(hù)。

(3) 底部仰拱施作，二次襯砌由底往上進(jìn)行至第①步開(kāi)挖邊墻截止處止，二襯與雙側(cè)壁已開(kāi)挖部分的碎石回填同時(shí)進(jìn)行，以免還沒(méi)有形成閉合的二襯斷面產(chǎn)生變形。

(4) 進(jìn)行第⑤、⑥步開(kāi)挖，施作初期支護(hù)。

(5) 第⑦步開(kāi)挖并施做初期支護(hù)，對(duì)第⑦步形成的最終隧道拱頂進(jìn)行加固處理。

(6) 第⑤、⑥、⑦步施做二次襯砌，使二襯斷面形成一個(gè)閉合圈。

圖2 施工工序(單位：mm)

3 大斷面地鐵車站隧道初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

3.1 計(jì)算模型

(1) 計(jì)算假設(shè)和邊界條件

① 隧道及圍巖受力和變形是平面應(yīng)變問(wèn)題；② 巖體初始應(yīng)力場(chǎng)僅考慮自重應(yīng)力；③ 圍巖視為非線性材料，其余均視為彈性材料；④ 允許圍巖邊界有豎直方向的位移，所以左右邊界節(jié)點(diǎn)僅定義X方向的節(jié)點(diǎn)位移為0；而下邊界節(jié)點(diǎn)既不能有水平位移也不能產(chǎn)生豎直位移，所以對(duì)下邊界所有節(jié)點(diǎn)定義X和Y方向位移均為0。

(2) 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型選取開(kāi)挖面具有兩條滑裂帶的斷面K17+360；模型拱頂距上邊界約30 m，底拱距下邊界85 m，左右邊墻分別距左右邊界80 m。鋼支撐和初期支護(hù)噴射混凝土采用梁?jiǎn)卧?，尺寸?.0 m；錨桿為1D植入式桁架單元，尺寸為1.0 m；錨索采用錨具建模助手建立，智能手動(dòng)確定錨固長(zhǎng)度和張拉長(zhǎng)度；二次襯砌采用2D實(shí)體單元實(shí)現(xiàn)。最終網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3，共8 581個(gè)單元。圍巖和支護(hù)材料參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 模型網(wǎng)格圖

表1 圍巖和支護(hù)材料參數(shù)

通過(guò)數(shù)值模擬和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，兩者結(jié)果基本吻合，但是拱頂沉降和凈空收斂與預(yù)警值相差較大，支護(hù)參數(shù)可進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2 單變量?jī)?yōu)化分析

單個(gè)變量?jī)?yōu)化就是只允許一個(gè)量的變化，從而去對(duì)比參數(shù)變化所引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移的變化。

3.2.1 錨桿長(zhǎng)度間距優(yōu)化

只限于錨桿長(zhǎng)度間距的變化，而錨索間距隨著錨桿間距變化而變化，選取錨索左側(cè)長(zhǎng)度為21、19、17、15 m，錨固端為8 m；右側(cè)長(zhǎng)度分別為15、13、11、11 m，錨固端為6 m，鋼拱架間距選1.0 m。根據(jù)JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》錨桿參數(shù)，此次模擬計(jì)算選取錨桿間距分為1.2 m和1.5 m，錨桿分為邊墻錨桿和拱頂錨桿，邊墻錨桿長(zhǎng)度分為2.5、3.0和3.5 m，拱頂錨桿分為3.0、4.0和4.5 m，錨桿間距和長(zhǎng)度兩兩對(duì)應(yīng)，一共選取了6個(gè)工況(見(jiàn)表2)，各工況的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 計(jì)算工況

由表3可知：

(1) 拱頂沉降位移：錨桿越長(zhǎng)，拱頂沉降越??；錨桿長(zhǎng)度也不是越長(zhǎng)越好，邊墻錨桿從3.0 m增至3.5 m，拱頂錨桿從4.0 m增至4.5 m，沉降位移值沒(méi)有什么變化。說(shuō)明錨桿長(zhǎng)度對(duì)拱頂圍巖的變形有一定的影響。

表3 不同錨桿長(zhǎng)度間距下襯砌受力計(jì)算結(jié)果

(2) 凈空收斂位移：錨桿越長(zhǎng)，凈空收斂值越??；邊墻錨桿從3.0 m增至3.5 m，拱頂錨桿從4.0 m增至4.5 m，當(dāng)間距為1.5 m時(shí)，收斂值并沒(méi)有什么影響，但是間距為1.2 m時(shí)，收斂值仍在減小。說(shuō)明錨桿間距對(duì)水平圍巖的變形有一定的影響。

(3) 錨桿軸力：① 拱頂處錨桿軸力最大，邊墻錨桿軸力較小，但處于滑裂帶處錨桿軸力也較大；② 邊墻錨桿長(zhǎng)度從2.5 m到3.0 m，拱部錨桿長(zhǎng)度從3.0 m增至4.0 m時(shí)，錨桿軸力有一定程度上的減小，之后再增加錨桿長(zhǎng)度，最大軸力值變化趨于平緩，說(shuō)明隨著錨桿長(zhǎng)度的變化，錨桿最大軸力值變化較小。

(4) 錨索軸力：邊墻錨桿長(zhǎng)度從2.5 m到3.0 m，拱部錨桿長(zhǎng)度從3.0 m增至4.0 m時(shí)，錨索軸力有一定程度上的減小，之后再增加錨桿長(zhǎng)度，最大軸力值變化趨于平緩，說(shuō)明隨著錨桿長(zhǎng)度的變化，錨索最大軸力值變化較小。

(5) 初支應(yīng)力：① 初期支護(hù)在拱部位置處、滑裂帶處和邊墻底部應(yīng)力集中處壓應(yīng)力最大，在錨桿間距1.2 m，邊墻錨桿長(zhǎng)度2.5 m，拱部錨桿3.0 m時(shí)，邊墻底部最大壓應(yīng)力達(dá)到4.22 MPa；② 隨著錨桿長(zhǎng)度增大，初期支護(hù)最大壓應(yīng)力有所減小，但變化很小，說(shuō)明錨桿長(zhǎng)度變化對(duì)初期支護(hù)壓應(yīng)力影響不大；初期支護(hù)最大拉應(yīng)力隨著錨桿長(zhǎng)度增大而增大。

綜上所述，邊墻錨桿長(zhǎng)度為2.5～3.5 m，拱部錨桿長(zhǎng)度在范圍內(nèi)變化時(shí)，引起的圍巖位移、初期支護(hù)內(nèi)力和錨桿、錨索軸力變化很小。綜合考慮這些因素，建議邊墻錨桿長(zhǎng)度取3.0～3.5 m，拱部錨桿長(zhǎng)度建議取4.0～4.5 m。

3.2.2 鋼拱架間距優(yōu)化分析

只限于鋼拱架間距的變化，將錨桿長(zhǎng)度、間距、錨索長(zhǎng)度設(shè)為不變量，鋼拱架間距就成了唯一變量，這樣可以直接看出鋼拱架間距與洞周支護(hù)的關(guān)系。

邊墻錨桿長(zhǎng)度取3.0 m，拱部錨桿長(zhǎng)度取4.0 m，錨桿間距取1.2 m；錨索間距與錨桿一致為1.2 m，左側(cè)取長(zhǎng)度為21、19、17、15 m，錨固端為8 m；右側(cè)取長(zhǎng)度分別為15、13、11、11 m，錨固端為6 m。根據(jù)JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》鋼拱架間距參數(shù)，模擬計(jì)算選取鋼拱架間距分為0.5、0.75、1.0和1.5 m總共4個(gè)工況(見(jiàn)表4)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 計(jì)算工況

由表5可知：

(1) 拱頂沉降位移：鋼拱架間距越大，拱頂沉降越大。說(shuō)明鋼拱架間距對(duì)拱頂圍巖的變形有很大程度的影響。

(2) 凈空收斂：鋼拱架間距從0.5 m增至0.75 m時(shí)，凈空收斂增加很明顯，但是從0.75 m增至1.5 m時(shí)，收斂值都沒(méi)有變化。說(shuō)明鋼拱架間距對(duì)水平圍巖的變形有一定的影響。但是鋼拱架間距過(guò)大時(shí)，對(duì)凈空收斂值幾乎沒(méi)有影響。

表5 不同鋼拱架間距下襯砌受力計(jì)算結(jié)果

(3) 錨桿、錨索軸力：鋼拱架間距越大，錨桿軸力值越大，錨索軸力值也越來(lái)越大，當(dāng)鋼拱架間距為1.0 m和1.5 m時(shí)，錨索軸力幾乎不變。說(shuō)明鋼拱架間距對(duì)錨桿和錨索軸力有一定的影響。但是鋼拱架間距過(guò)大時(shí)，對(duì)其軸力值影響較小。

(4) 初期支護(hù)應(yīng)力：鋼拱架間距越大，初期支護(hù)拉應(yīng)力、壓應(yīng)力值越小。說(shuō)明鋼拱架間距對(duì)初期支護(hù)應(yīng)力有很大程度的影響。

綜上所述，鋼拱架間距為0.75～1.5 m時(shí)，引起的圍巖位移、初期支護(hù)內(nèi)力和錨桿、錨索軸力變化較小。再綜合考慮其他因素，建議鋼拱架間距宜取1.0～1.5 m。

3.3 綜合優(yōu)化分析

綜合優(yōu)化分析是考慮了錨桿長(zhǎng)度和間距、鋼拱架間距、錨索長(zhǎng)度這4個(gè)變量約束的優(yōu)化，從而對(duì)比每種工況所引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移、塑性區(qū)、造價(jià)的變化。

根據(jù)規(guī)范給出的初期支護(hù)參數(shù)，模擬計(jì)算選取錨桿長(zhǎng)度和間距、鋼拱架間距每個(gè)約束優(yōu)化兩個(gè)參數(shù)，錨索長(zhǎng)度優(yōu)化一個(gè)參數(shù)，組合共得16種工況，從中選取6個(gè)典型工況(表6)，進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，各工況的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7、圖4、5。

由表7、圖4、5可以看出：

(1) 拱頂沉降，工況5較大，其余工況都比較小。

(2) 凈空收斂，工況1、5、6較大，工況2、3、4都比較小。

表6 計(jì)算工況

表7 不同工況下各影響因素關(guān)系

圖4 不同工況拱頂沉降圖

圖5 不同工況凈空收斂圖

(3) 錨桿軸力，分為滑裂帶和非滑裂帶，滑裂帶處除工況5軸力較大外，其余工況都較小，非滑裂帶各工況軸力都相差不大。

(4) 錨索軸力，錨索間距為1.2 m(工況1，3，5)時(shí)錨索的軸力普遍小于間距為1.5 m(工況2，4，6)，可知錨索間距越大，軸力越大。

(5) 初期支護(hù)軸力和剪力，各工況相差均不大，各參數(shù)的變化對(duì)其影響較小。

(6) 塑性區(qū)，只有工況5數(shù)值較大，其余工況相差不大且均較小。

(7) 造價(jià)方面，工況2、3、6較小，工況1、4、5造價(jià)較高。

綜合優(yōu)化分析：從造價(jià)來(lái)看，工況2、3和工況6造價(jià)較低，適合在這3種工況中選擇；再?gòu)陌踩慕嵌瓤紤]，結(jié)合前文對(duì)比分析，得出工況3是最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

4 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算分析，對(duì)大斷面地鐵車站隧道初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究，得出以下結(jié)論:

(1) 通過(guò)單變量?jī)?yōu)化分析，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面比較，分別給出了錨桿間距和長(zhǎng)度、鋼拱架間距單個(gè)量變化的情況下合理的大斷面隧道襯砌支護(hù)參數(shù)，體現(xiàn)出支護(hù)參數(shù)的改變對(duì)隧道開(kāi)挖穩(wěn)定性的影響。

(2) 在錨桿長(zhǎng)度和間距、鋼拱架間距、錨索長(zhǎng)度這4個(gè)因素綜合考慮的情況下，對(duì)比了6組典型支護(hù)參數(shù)的受力與變形，得出該隧道的最優(yōu)初期支護(hù)參數(shù)方案(工況3)，不僅從經(jīng)濟(jì)上減少了成本，也從技術(shù)上保證了施工安全。所得成果可為類似工程提供依據(jù)。