趙晨陽，彭立敏，帥建兵，施成華，雷明鋒, 3

大跨地鐵車站穿越斷裂帶段拱蓋法施工變形控制分析

趙晨陽1，彭立敏1，帥建兵2，施成華1，雷明鋒1, 3

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 中鐵十二局集團(tuán) 第二工程有限公司，山西 太原 030032；3. 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410075)

某“拱蓋法”施工的大跨地鐵車站穿越斷裂帶時，擬采用管棚預(yù)支護(hù)和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖的施工方案。通過建立有限元模型，研究車站拱部支護(hù)結(jié)構(gòu)變形隨蓋拱施工的變化過程。研究結(jié)果表明：蓋拱形成后的拱頂累積沉降約8.7 mm，該方案能夠滿足地鐵車站施工穿越斷層破碎帶期間20 mm的沉降控制要求。拱部施工4個環(huán)節(jié)的風(fēng)險大小依次為：豎向支撐拆除與拱蓋施作>中間洞室開挖>左側(cè)導(dǎo)洞開挖>右側(cè)導(dǎo)洞開挖，可差異設(shè)置各施工環(huán)節(jié)的風(fēng)險控制方案。支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降變形在掌子面后方約1.0~2.0倍開挖高度的位置處達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，具有滯后性。施工期間應(yīng)重視掌子面后方相應(yīng)范圍內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測。最后，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對研究結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

隧道工程；斷裂帶；拱蓋法；大跨隧道

隨著城市地鐵隧道建設(shè)的不斷發(fā)展，不良地質(zhì)現(xiàn)象越來越多，不可避免會出現(xiàn)隧道暗挖穿越斷層破裂帶的現(xiàn)象[1]。斷層破裂帶的地質(zhì)情況復(fù)雜，施工期間極易產(chǎn)生涌水涌沙和掌子面失穩(wěn)等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響隧道施工的安全性[2]。對于隧道上部分位于斷層破碎帶，下部分位于良好巖層中的情況，由于拱蓋法能有效利用一些地區(qū)“上軟下硬”的地層性質(zhì)，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。隧道暗挖經(jīng)過該種地層時，涌水涌沙、塌方等風(fēng)險主要發(fā)生在上部軟弱地層內(nèi)施工階段。下部堅硬地層內(nèi)施工時，由于巖石完整性較好，施工安全性比在上部軟弱地層內(nèi)的高。拱蓋法是將隧道分為上、下2部分依次進(jìn)行開挖。上部洞室開挖完成后施作蓋拱，拱腳位于下部堅硬巖體上，蓋拱結(jié)構(gòu)承擔(dān)上覆地層的荷載作用。在蓋拱的保護(hù)作用下，隧道下部的施工得以有序進(jìn)行。此時由于隧道內(nèi)部空間大，方便使用大型機(jī)械，施工具有低成本、高效率等特點(diǎn)。為了保證隧道掌子面的穩(wěn)定性，施工過程中通常會采用管棚預(yù)支護(hù)措施[5-7]。該方法是在拱部開挖輪廓線外側(cè)施作一排與隧道軸向近似平行的鋼管，鋼管兩端分別嵌固于掌子面前方的圍巖中和初期支護(hù)中(或處于懸空狀態(tài))，如圖1所示。隧道開挖后，在未施作臨時支護(hù)的狀態(tài)下，管棚承擔(dān)著土體的松動荷載，保證隧道掌子面的穩(wěn)定性。為了分析隧道穿越軟弱地層過程中的安全性，常用的方法有理論分析[8-9]、現(xiàn)場實(shí)測[10]、模型試驗(yàn)[11]與數(shù)值模擬[12。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬在隧道施工過程分析中的應(yīng)用逐漸增多[13-15]。趙毅鑫等[16]結(jié)合數(shù)值分析模型，驗(yàn)證了超前管棚注漿預(yù)支護(hù)措施在斷層等復(fù)雜地質(zhì)條件下的作用效果。徐前衛(wèi)等[17]以山區(qū)隧道IV 級圍巖為對象，利用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了跨斷層隧道施工過程中圍巖的漸進(jìn)性破壞過程及其受力變形特性。目前，關(guān)于淺埋大跨地鐵車站暗挖穿過斷層破碎帶的研究仍然不多，隧道施工期間支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形發(fā)展?fàn)顩r和各施工環(huán)節(jié)風(fēng)險大小以及掌子面后方支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形等仍有較大的研究空間。本文結(jié)合“拱蓋法”施工的青島地鐵4號線人民會堂站工程，通過建立有限元模型，對蓋拱形成前的施工安全性、風(fēng)險控制重點(diǎn)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律等內(nèi)容進(jìn)行了深入研究，并根據(jù)現(xiàn)場反饋驗(yàn)證了施工方案的可行性，為類似工程的施工提供了參考。

圖1 管棚示意圖

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

青島地鐵4號線人民會堂站穿越關(guān)山斷裂帶(青島山斷裂東支)段埋深約16.5 m，開挖跨度約24.3 m，開挖高度為約18.5 m，其中拱部開挖高度約9.0 m。地鐵車站受斷裂帶的影響長度約50 m。關(guān)山斷裂帶傾向及傾角為NW80°，走向?yàn)镹E15°。該斷裂帶表現(xiàn)為破碎帶，帶內(nèi)見碎裂巖化霏細(xì)巖。根據(jù)帶內(nèi)碎裂巖的構(gòu)造透鏡體排列狀況，認(rèn)為斷裂帶局部為張性活動。地鐵車站暗挖經(jīng)過該區(qū)域部分工程屬于重點(diǎn)控制工程。

人民會堂站場區(qū)內(nèi)第四系地層厚度0.5~12.6 m，主要由第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)、全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)及上更新統(tǒng)沖洪積層(Q3al+pl)組成，主要為人工填土、雜填土、粗砂、中砂和粉質(zhì)黏土等。場區(qū)內(nèi)基巖以粗?；◢弾r為主，局部受構(gòu)造影響有砂土狀碎裂巖、塊狀碎裂巖，巖芯采取率≥60%，揭露段巖體完整性指數(shù)為0.3~0.5，巖體質(zhì)量等級約Ⅴ級。地下水穩(wěn)定水位埋深為地面下1.50~6.10m。斷裂帶剖面如圖2所示。

圖2 斷裂帶剖面圖

1.2 施工方案

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和施工設(shè)計方案，車站拱頂沉降控制值為：累積沉降20 mm，變化速率為3 mm/d。

施工期間，為保證隧道掌子面的穩(wěn)定性，人民會堂站采用管棚預(yù)支護(hù)措施。管棚采用長度為12 m的Φ89鋼管，在拱部150°范圍內(nèi)布置，環(huán)向間距為0.4 m，縱向間距為8 m。管棚轉(zhuǎn)進(jìn)到位后，在管棚尾部連接注漿管路，注入M10水泥砂漿，保證管棚與周邊巖體的有效黏結(jié)。

人民會堂站采用“拱蓋法”施工方式，即先開挖拱部土體并施作初期支護(hù)，拱部土體全部開挖完成后施作2層蓋拱，然后再進(jìn)行下部土體的開挖施工。車站拱部土體的開挖施工采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，開挖順序?yàn)樽髠?cè)導(dǎo)洞?>右側(cè)導(dǎo)洞?>中間部分。各洞室沿隧道軸向錯開距離不小于15 m。開挖進(jìn)尺為0.5~1.0 m，開挖后立即施作初期支護(hù)。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)采用C25早強(qiáng)混凝土與格柵鋼架。施工工序如圖3所示。

圖9中：數(shù)字1-6代表不同區(qū)域土體的開挖順序，數(shù)字Ⅰ-Ⅸ表示不同時期施作的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

注：1. 施工超前小導(dǎo)管，開挖左側(cè)導(dǎo)洞巖體，立即初噴C25混凝士40mm封閉圍巖；架格柵拱架、豎向臨時鋼拱架、綁扎鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土；2. 開挖右側(cè)導(dǎo)洞巖體，立即初噴C25混凝士40 mm封閉圍巖；架格柵拱架、豎向臨寸鋼拱架、綁扎鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土。相鄰導(dǎo)洞錯開不應(yīng)小于15 m；3. 上斷面中部巖體，立即初噴混凝士4 cm厚封閉圍巖；架立格柵拱架、綁扎鋼筋網(wǎng)、噴射混疑土；4. 施作拱蓋，待拱蓋強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的70%，分段拆除豎向臨時支撐。

2 有限元分析

2.1 計算模型

為了分析車站蓋拱完成前的施工安全性，結(jié)合青島地鐵人民會堂站設(shè)計文件，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS建立分析模型，模型尺寸為200 m×100 m×20 m。模型中，地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用六面體為主的實(shí)體單元，如圖4所示。按照實(shí)際施工順序，依次進(jìn)行各洞室開挖施工。各洞室單次開挖長度為1 m，土體開挖和初期支護(hù)的施作在同一個分析步進(jìn)行。

模型中，按照施工設(shè)計文件在車站拱部外側(cè)布置管棚。實(shí)際狀況下，管棚通過水泥砂漿與周邊巖體進(jìn)行黏結(jié)，達(dá)到協(xié)同變形的效果。為了在模型中反映這一效果，建立地層模型時，首先切分出管棚所在位置處的單元，然后賦予該部分單元以鋼材料的截面特性，其余部分單元則賦予相應(yīng)地層的截面性質(zhì)，以此來模擬管棚與周邊巖土體的有效黏結(jié)。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，確定模型中各部分地層的主要計算參數(shù)，如表1所示。

(a) 整體模型圖；(b) 開挖區(qū)域圖

表1 地層參數(shù)

2.2 施工方案分析

為了分析拱部開挖支護(hù)方案的合理性，選取CD法開挖方案和全斷面開挖方案進(jìn)行對比分析。經(jīng)過計算，得到地層和地鐵車站初期支護(hù)結(jié)構(gòu)在拱部開挖完成后的變形狀況，如圖5所示。

由圖5可知：

1) 采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，即實(shí)際施工方案時，車站拱部開挖完成后，地層和支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形均發(fā)生在拱頂位置，約為5.9 mm?？紤]到拆除豎向支撐和施作二層蓋拱期間可能引起的拱頂沉降，該方案能滿足施工期間拱部20 mm的沉降控制要求。

2) 采用CD法施工時，車站拱部開挖完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形存在于中隔墻的中間位置處，約為23.8 mm，地層的最大變形發(fā)生在右側(cè)靠近拱頂位置處，約為9.9 mm。該方案在開挖期間雖然能20 mm的拱頂沉降控制要求，但地層變形明顯比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法大，且中隔墻的大變形會對隧道施工安全造成極大威脅。

3) 采用全斷面開挖方式時，車站拱部開挖完成后，地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形發(fā)生在拱頂位置處，約為16.7 mm。此時車站拱部沉降已經(jīng)接近容許值，隧道施工風(fēng)險極大。

(a) 實(shí)際工法；(b) CD法；(c) 全斷面法

綜合3種施工開挖方案可以看出，人民會堂站采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的開挖施工方案能夠滿足地鐵車站施工期間的拱部變形控制要求，表明該方案是合理的。

2.3 蓋拱施工全過程分析

進(jìn)一步分析支護(hù)結(jié)構(gòu)變形隨蓋拱施工全過程的變化狀況，研究各施工環(huán)節(jié)的風(fēng)險大小與施工過程中的監(jiān)測重點(diǎn)。管棚分布在車站拱部外側(cè)，因此可以通過分析管棚的空間變形來研究隧道拱部輪廓的變形狀況。圖6所示為左側(cè)洞室開挖到14 m位置時，管棚的綜合位移云圖，圖中各曲線為位移等值線。

從車站橫斷面方向分析拱部變形隨施工的變化狀況。取隧道起始位置橫斷面為研究對象，即圖6點(diǎn)所在橫斷面方向。

繪制管棚橫斷面變化圖，如圖7所示。圖7中，橫坐標(biāo)代表節(jié)點(diǎn)在車站橫斷面中的位置；縱坐標(biāo)代表該節(jié)點(diǎn)的豎向沉降；各曲線代表掌子面距起點(diǎn)不同位置處，拱部的變形情況。如：2 m所示曲線代表掌子面處于距隧道起點(diǎn)2 m位置時，拱部的變形狀況。

圖6 管棚變形圖

(a) 左側(cè)洞室開挖；(b) 右側(cè)洞室開挖；(c) 中間洞室開挖；(d) 豎支撐拆除與蓋拱施作

由圖7可知：

1) 蓋拱施工過程中，各施工環(huán)節(jié)的沉降大小依次為：豎向支撐拆除與拱蓋施作＞中間洞室開挖＞左側(cè)導(dǎo)洞開挖＞右側(cè)導(dǎo)洞開挖。左、右側(cè)導(dǎo)洞和中間洞室開挖施工過程中，開挖洞室上方支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大穩(wěn)定沉降分別為2.6，2.5和5.9 mm。豎向支撐拆除和蓋拱施作完成后，左、右側(cè)拱腰和拱頂?shù)睦塾嫵两捣謩e為3.0，3.0和8.7 mm。

2) 支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降變形存在滯后性。左、右兩側(cè)和中間洞室開挖施工時，開挖洞室上方支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降穩(wěn)定值最早出現(xiàn)在掌子面后方10，14和16 m處。拆除豎向支撐與施作蓋拱的過程中，測點(diǎn)在豎支撐拆除12 m后達(dá)到沉降穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合拱部最大約9 m的開挖高度可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降變形在掌子面后方約1.0~2.0倍開挖高度位置處達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。隧道施工期間，應(yīng)加強(qiáng)對掌子面后方2.0倍開挖高度范圍內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)控。

3 現(xiàn)場反饋

為了觀察施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降是否滿足施工控制要求，沿車站拱部縱向間隔10 m布置一組沉降監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)布置狀況如圖8所示。圖中，GDC-為第個斷面的第個測點(diǎn)。

圖8 拱部測點(diǎn)布置圖

為了檢驗(yàn)有限元分析結(jié)果的可靠性，選取經(jīng)過斷裂帶的一組監(jiān)測數(shù)據(jù)(第19斷面)進(jìn)行對比，如圖9所示。圖9中，虛線框內(nèi)為豎向支撐拆除與蓋拱施作環(huán)節(jié)，其余部分為施工開挖環(huán)節(jié)。

由圖9可知，拱蓋施工期間，拱頂支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降變化率小于3 mm/d的控制要求。蓋拱完成后，拱頂累計沉降約6.3 mm，小于20 mm的累計沉降控制要求。與現(xiàn)場實(shí)測相比，有限元分析模型具有一定的可靠性，主要表現(xiàn)在：

圖9 計算值與實(shí)測值對比圖

圖10 蓋拱完成圖

1) 能有效分析地鐵車站暗挖經(jīng)過斷裂帶時的沉降變形。有限元分析和實(shí)測數(shù)據(jù)均顯示，蓋拱施作完成后拱頂?shù)某两抵底畲?。有限元分析結(jié)果為8.7 mm，實(shí)測值約6.3 mm。

2) 能夠預(yù)測各施工環(huán)節(jié)的沉降大小。開挖施工期間，左、右兩側(cè)拱腰和拱頂處的實(shí)測穩(wěn)定沉降依次為2.4，2.1和5.7 mm。蓋拱施作完成后，相應(yīng)測點(diǎn)的累積沉降分別為2.8，2.4和6.3 mm?？芍ёo(hù)結(jié)構(gòu)在各施工環(huán)節(jié)的沉降大小依次為：豎向支撐拆除與拱蓋施作＞中間洞室開挖＞左側(cè)導(dǎo)洞開 挖＞右側(cè)導(dǎo)洞開挖，與有限元分析結(jié)果相符。

3) 能夠分析支護(hù)結(jié)構(gòu)沉降變形的滯后性。由圖9可知，依次施工4個施工環(huán)節(jié)中，測點(diǎn)沉降穩(wěn)定狀態(tài)均未在掌子面處，而是在掌子面的后方1.0~2.0倍開挖高度處。

綜合數(shù)值分析結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，采用管棚超前支護(hù)和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖方式的施工方案能夠滿足該淺埋大跨地鐵車站暗挖經(jīng)過斷裂帶時20 mm的拱頂累計沉降控制要求。圖10為人民會堂站蓋拱施作完成圖。

4 結(jié)論

1) 對于采用“拱蓋法”施工方式的大跨地鐵車站，采用管棚超前支護(hù)和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖方式穿越斷裂帶時，車站蓋拱形成后，拱頂沉降的分析值約8.7 mm，實(shí)測值約6.3 mm。該方案能夠滿足地鐵車站施工期間20 mm的拱頂沉降控制要求。

2) 各環(huán)節(jié)的施工風(fēng)險大小依次為：豎向支撐拆除與拱蓋施作＞中間洞室開挖＞左側(cè)導(dǎo)洞開挖＞右側(cè)導(dǎo)洞開挖。車站拱部土體開挖過程中，有限元分析表明左、右側(cè)拱腰和拱頂部等位置處支護(hù)結(jié)構(gòu)的累積沉降量依次為2.6，2.5和6.3 mm，實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，相應(yīng)測點(diǎn)的穩(wěn)定沉降依次為2.4，2.1和5.7 mm。豎向支撐拆除與拱蓋施作期間，拱頂沉降的有限元值為8.7 mm，實(shí)測值為6.3 mm。

3) 支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降變形具有滯后性，車站拱部施工期間應(yīng)重視對掌子面后方支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)控。開挖施工期間，左、右兩側(cè)和中間洞室上方支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降穩(wěn)定值最早出現(xiàn)在掌子面后方10，14和16 m處。拆除豎向支撐與施作蓋拱的過程中，測點(diǎn)在豎支撐拆除12 m后達(dá)到沉降穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合拱部最大約9 m的開挖高度可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降變形在掌子面后方約1.0~2.0倍開挖高度位置處達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

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Analysis of deformation control for a large-span metro station crossing throngh fault zone using arch-cover method

ZHAO Chenyang1, PENG Limin1, SHUAI Jianbing2, SHI Chenghua1, LEI Mingfeng1, 3

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. The 2nd Engineering Co., Ltd. of China Railway 12th Bureau Group, Taiyuan 030032, China; 3. Key Laboratory of Engineering Structure of Heavy Haul Railway (Central South University), Changsha 410075, China)

When a large-span metro station constructed with “arch-cover method” crosses a fault zone, it was proposed to adopt the construction scheme of pipe shed pre-support and double-side drift method. A finite element model was established to study the deformation changing process of tunnel arch along with construction. Some findings were as follows. The settlement of tunnel vault was about 8.7 mm, after the formation of cover-arch, and the proposed scheme could meet the requirement of tunnel vault settlement limitation, which was 20 mm during the period of metro station constructing through the fault zone. The risks of four construction sections are as follows. Vertical support demolition and cover-arch construction > excavation of middle chamber > excavation of left pilot tunnel > excavation of right pilot tunnel. And the risk management plans for each construction section could be set up differentially. Settlement of the support structures reaches a stable state at the position of 1.0~2.0 times of excavation height behind tunnel face, which shows an effect of hysteresis. During tunnel construction,attention should be paid to the deformation of support structures in the corresponding range behind tunnel face. Finally, from the feedback of monitoring result, validation of the research was verified.

tunnel engineering; fault zone; arch-cover method; large-span tunnel

U45

A

1672 ? 7029(2020)05 ? 1193 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190653

2019?07?19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51878670，51778636)

施成華(1973–)，男，安徽黃山人，教授，博士，從事隧道工程的教學(xué)與研究工作；E?mail：csusch@163.com

(編輯 蔣學(xué)東)