魯 彬, 曹興隆

(中鐵開發(fā)投資有限公司, 重慶 404100)

在地鐵車長(zhǎng)施工中，常常遇到“上軟下硬”的地層條件，為應(yīng)對(duì)這種情況，一種通過大拱腳下冠梁將拱蓋上部荷載均勻地傳遞給周邊圍巖，從而充分利用巖石的承載能力的開挖工法逐漸得到應(yīng)用，即拱蓋法。隨著拱蓋法在地鐵車站施工中的不斷運(yùn)用，其施工技術(shù)及理論也在不斷發(fā)展。目前,如何在保證安全、質(zhì)量的前提下，降低施工難度，加快施工進(jìn)度，使其具有更高的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性成為亟待解決的問題。本文通過數(shù)值模擬和工程實(shí)踐對(duì)這一問題進(jìn)行了研究。

賈貴寶[1]通過研究認(rèn)為，拱蓋法施工能適應(yīng)大面積開挖，同時(shí)具有作業(yè)效率高，圍巖擾動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)。吳學(xué)峰[2]通過數(shù)值模擬得出拱蓋法能保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和圍巖的安全，其施工關(guān)鍵步序?yàn)樯喜恐袆?dòng)開挖。李磊[3]采用有限元分析方法分析了拱蓋法開挖的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，結(jié)果滿足規(guī)范要求。畢福才[4]以青島地鐵為研究對(duì)象，研究了出沉降的主要原因并針對(duì)“上軟下硬”地區(qū)施工提出了有力的解決措施。杜子健[5]針對(duì)“上軟下硬”地層中拱蓋法施工，建立二維分步開挖模型，以沉降值為控制標(biāo)準(zhǔn)，推斷控制重要環(huán)節(jié)為中導(dǎo)洞開挖、拆撐和拱蓋施做。

綜上可知，上述關(guān)于拱蓋法的研究主要集中于其特點(diǎn)和施工工藝的介紹和拱蓋法安全性的數(shù)值模擬，并未進(jìn)行拱蓋法施工步序的優(yōu)化分析。因此，本文采用FLAC3D軟件對(duì)四種方案進(jìn)行模擬分析，得到最優(yōu)的施工步序方案，從而為相應(yīng)工程提供借鑒。

1 工程概況

某地鐵車站為單拱雙層地下暗挖車站。車站埋深16.5～18.4 m，從上至下地層依次為第四系填土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖及泥巖。車站底板基本位于中風(fēng)化砂巖及泥巖中，拱腳處為中風(fēng)化砂巖、泥巖互層，最小覆巖厚度6.8 m。隧道圍巖分級(jí)為Ⅳ級(jí)，采用雙層疊合初支拱蓋法施工，標(biāo)準(zhǔn)斷面圖及襯砌斷面支護(hù)參數(shù)如圖1 和表1所示。

2 開挖模擬分析

2.1 數(shù)值模擬假定

基于地層—結(jié)構(gòu)模型，采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件，對(duì)層狀巖超大斷面暗挖車站的開挖方法進(jìn)行模擬。計(jì)算時(shí)主要基于以下假設(shè)：

圖1 某地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)斷面

表1 襯砌斷面支護(hù)參數(shù)

(1)圍巖的變形是各向同性的。

(2)由于隧道屬淺埋狀態(tài)，在計(jì)算時(shí)，巖體的初始應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力，而不考慮構(gòu)造應(yīng)力。

(3)通過提高圍巖的力學(xué)參數(shù)來考慮圍巖注漿加固的效果，加固范圍依據(jù)錨桿長(zhǎng)度和注漿范圍綜合考慮，而參數(shù)的提高值則依據(jù)設(shè)計(jì)錨桿用量和注漿效果以及力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析考慮。

(4)分析隧道開挖的影響時(shí)，隧道支護(hù)只施作初期支護(hù)，二襯只作安全儲(chǔ)備考慮，故模型中不考慮二襯受力。

本次計(jì)算選用“理想彈塑性”本構(gòu)模型，以摩爾-庫侖準(zhǔn)則為屈服準(zhǔn)則，并采用關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則。

2.2 四種方案模擬

2.2.1 方案一

采用雙層疊合初支拱蓋法施工，步序：

(1)開挖左右上導(dǎo)洞1、2部土體，施做初期支護(hù)。

(2)開挖左右導(dǎo)洞3、4部土體，施做初期支護(hù)，大拱腳部位打設(shè)注漿管注漿，澆筑拱蓋拱腳縱梁，澆筑拱蓋模筑混凝土。

(3)開挖上部中導(dǎo)洞5部土體，施做初期支護(hù)(錨桿、鋼架、噴混凝土、臨時(shí)豎撐)。

(4)施做拱部中央部位加強(qiáng)拱蓋，而后開挖中部中導(dǎo)洞6部土體，拆除臨時(shí)豎撐。

(5)開挖下半部分中部土體7，面層噴混凝土。

(6)開挖下半部分左右兩側(cè)8、9部土體，施做側(cè)墻部分初支。

(7)開挖下半部分左右兩側(cè)10、11部土體，施做側(cè)墻部分初支。

(8)開挖下半部分中部土體12，施做仰拱部分初支。

(9)開挖下半部分左右兩側(cè)13、14部土體，施做側(cè)墻部分初支。

(10)開挖下半部分左右兩側(cè)15、16部土體，施做側(cè)墻部分初支，初支完全封閉。如圖2所示。

2.2.2 方案二

該方案主要改變拱部施工步序，將原設(shè)計(jì)先兩側(cè)后中間改為先中間后兩邊。如圖3所示。

圖2 方案一施工步序示意

圖3 方案二施工步序示意

2.2.3 方案三

該方案將拱部原分六部開挖改為拱部三部開挖。如圖4所示。

2.2.4 方案四

在方案四的基礎(chǔ)上，在下部土體施工中預(yù)留5 m施工出渣通道，同時(shí)將下部分三層開挖。如圖5所示。

2.2.5 建立模型

采用三維有限差分法進(jìn)行計(jì)算分析，單元類型選用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，模型的邊界條件依據(jù)以往的隧道力學(xué)資料：水平方向取約3～5倍洞徑，垂直方向取約2～3倍洞徑。在考慮隧道開挖的影響范圍及盡量減少“邊界效應(yīng)”的前提下，本

圖4 方案三施工步序示意

圖5 方案四施工步序示意

次模型147 m×78 m×1 m。其四周施加水平約束，底部施加豎直約束。計(jì)算模型如圖6。

圖6 雙層疊合初支拱蓋法計(jì)算模型示意(單位：m)

依據(jù)地勘和設(shè)計(jì)資料，并通過支護(hù)結(jié)構(gòu)彈性模量的等效處理及錨桿加固區(qū)圍巖力學(xué)參數(shù)的簡(jiǎn)化提高。其圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)各物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 巖土體物理力學(xué)及襯砌計(jì)算參數(shù)表

3 結(jié)果與分析

3.1 位移結(jié)果

四種方案位移曲線示意圖見圖7，方案一豎向最大位移位于拱頂部位，拱頂向下沉降7.75 mm，地表最大沉降5.18 m。其水平位移最大值位于大拱腳位置，位移趨勢(shì)呈洞周向外擴(kuò)張，最大擴(kuò)張數(shù)值為4.01 mm。方案二在豎向位移方 面，與方案一變化形態(tài)類似，但各項(xiàng)位移值均大于方案一。最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂，其沉降值為9.32 mm，地表沉降為5.18 mm。水平擴(kuò)張值為4.32 mm。方案三拱頂沉降值與方案二相同，為9.32 mm，地表沉降稍大于方案二，值為6.27 mm，水平擴(kuò)張4.24 mm。方案四拱頂沉降9.07 mm，地表沉降5.87 mm，水平擴(kuò)張3.03 mm。

3.2 內(nèi)力結(jié)果及分析

通過提取內(nèi)力監(jiān)測(cè)斷面初支數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)斷面示意圖見圖8。四種方案條件下內(nèi)力及相應(yīng)截面安全系數(shù)如表3所示；可以看到，方案二條件下各項(xiàng)內(nèi)力指標(biāo)均優(yōu)于其他方案。軸力、彎矩小于其他值，安全系數(shù)為四種方案最高。這是由于先開挖拱部中導(dǎo)洞，應(yīng)力釋放較充分，襯砌的內(nèi)力值較小，從而襯砌的安全系數(shù)較高。但其變形值較難控制，拱頂及地表沉降均為四種方案條件下最大值，易造成圍巖失穩(wěn)等施工事故的發(fā)生。其余三種方案內(nèi)力指標(biāo)接近，原設(shè)計(jì)安全系數(shù)最小，其次為方案四和方案三。

圖7 四種方案位移曲線

圖8 內(nèi)力提取監(jiān)測(cè)斷面示意

表3 四種方案條件下內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

3.3 各方案綜合分析

從上述結(jié)果可以看出，四種方案均安全可行，具體而言：

(1)方案一引起拱頂及地表沉降最小，安全系數(shù)也滿足最小控制標(biāo)準(zhǔn)，在四種工況中最安全，但其施工工作面狹窄，各項(xiàng)施工步序較其他工況復(fù)雜，開挖面較多，不利于大規(guī)模機(jī)械施工，影響施工的進(jìn)度及施工的經(jīng)濟(jì)性。

(2)方案二先開挖拱部中導(dǎo)洞，雖各項(xiàng)內(nèi)力指標(biāo)小，安全系數(shù)高，但其沉降指標(biāo)不易控制，沉降值較大，位移指標(biāo)不易控制，且施工步序多，施工空間小。因此，在實(shí)際施工因避免采取此種施工步序。

(3)方案三內(nèi)力指標(biāo)較小于方案二，安全系數(shù)高。施工空間較大且能較好滿足施工進(jìn)度，其各項(xiàng)位移指標(biāo)也均在控制值之內(nèi)，符合安全穩(wěn)定的施工要求，但對(duì)比于方案四在下部開挖的區(qū)別，直接拉槽開挖，不便于出渣運(yùn)輸及后續(xù)施工的開展。

(4)方案四各項(xiàng)指標(biāo)均處于四種方案的中間值，且洞周水平位移值最小。不易造成拱腳失穩(wěn)的產(chǎn)生，同時(shí)，擁有方案三的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，施工空間大，施工經(jīng)濟(jì)性好，而且在出渣過程中，由于左右側(cè)之間預(yù)留一條5 m寬的出渣通道，施工便捷性大大提高，下斷面分三層開挖減少對(duì)拱蓋支撐土體的擾動(dòng)同時(shí)減小了爆破對(duì)縱梁的破壞。

因此，在層狀巖超大斷面暗挖車站雙層疊合初支拱蓋法施工中建議優(yōu)先考慮方案四。當(dāng)圍巖條件較差時(shí)，為了便于控制拱頂及地表沉降，可采用方案一，從而保證隧道的安全穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的研究方法，分析了四種方案條件下的位移和內(nèi)力數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

(1)四種方案均安全可行。

(2)從拱頂沉降、地表沉降、水平位移及安全系數(shù)等方面對(duì)四種方案進(jìn)行了對(duì)比分析。綜合考慮，在滿足質(zhì)量和安全的前提下，方案四洞周水平位移值最小，不易造成拱腳失穩(wěn)的產(chǎn)生，施工空間大，經(jīng)濟(jì)性好，擾動(dòng)小且預(yù)留5 m寬出渣通道，能夠有效縮短施工工期，減少施工成本。因此，方案四為最優(yōu)方案。