王慨慷

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 引言

隨著城市軌道交通建設(shè)加速推進(jìn)，各種復(fù)雜環(huán)境條件逐漸增加，軌道交通工程施工受制約的情況也隨之增多。為更好地應(yīng)對(duì)各種客觀因素，對(duì)軌道交通施工新工法、新工藝、新設(shè)備、新工序的研究從未間斷。本文在結(jié)合理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)北京地鐵6號(hào)線西延工程正常工序雙側(cè)壁導(dǎo)坑[1]斷面施工引起地表變形進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)12號(hào)線先上層導(dǎo)洞后下層導(dǎo)洞非常規(guī)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法工序施工引起地表沉降變形進(jìn)行分析，并對(duì)兩種工序引起地表變形的變形值及變形規(guī)律進(jìn)行對(duì)比研究，深層次挖掘雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工隧道的變形規(guī)律[2-3]，并為變形控制提供建議。

2 工程概況

(1)6號(hào)線西延雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道

本次選取6號(hào)線西延工程線路中段一雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道作為分析對(duì)象，該區(qū)間大斷面為區(qū)間渡線段，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。隧道結(jié)構(gòu)埋深約18 m，主要位于卵石層。隧道斷面最大開挖寬度為13.2 m，開挖高度為10.2 m。

(2)12號(hào)線雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道

選取12號(hào)線線路中西部一雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道為分析對(duì)象，該區(qū)間大斷面為區(qū)間停車線及渡線。隧道埋深約24 m，主要位于卵石層，隧道最大開挖寬度為12.3 m，開挖高度為10.1 m。

(3)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

6號(hào)線西延工程選取工點(diǎn)場(chǎng)地地質(zhì)情況主要為卵石⑤層，結(jié)構(gòu)底板位于地下水位以上，無需采用降水施工。

12號(hào)線選取工點(diǎn)場(chǎng)地地質(zhì)情況為卵石⑦層，隧道結(jié)構(gòu)埋深較大，底板位于地下水位以下，受地下水條件制約，下層導(dǎo)洞需采取降水施工。

(4)隧道參數(shù)

各導(dǎo)洞主要參數(shù)見表1。

表1 各導(dǎo)洞主要參數(shù) m

所選取的兩個(gè)工點(diǎn)結(jié)構(gòu)斷面尺寸相近，各導(dǎo)洞大小尺寸相似，隧道埋深略有差異，整體施工工序有所不同，隧道各導(dǎo)洞編號(hào)如圖1所示。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道斷面及各導(dǎo)洞編號(hào)

6號(hào)線西延選取工點(diǎn)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法斷面施工工序?yàn)棰佟凇邸堋荨蓿瑸檎ｋp側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道施工工序[4]；12號(hào)線選取工點(diǎn)雙側(cè)壁導(dǎo)坑斷面施工工序?yàn)棰佟邸荨凇堋?，為先上層?dǎo)洞后下層導(dǎo)洞施工工序。兩個(gè)工點(diǎn)拆撐及二襯施工工序相同，均為由下向上先施作仰拱，后進(jìn)行側(cè)墻及拱部混凝土施工。

3 不同工序雙側(cè)壁導(dǎo)坑隧道施工變形數(shù)值分析

根據(jù)6號(hào)線西延工程及12號(hào)線雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道施工工序及特點(diǎn)，建立三維有限元模型[5]，見圖2。

針對(duì)兩種工序分別進(jìn)行仿真數(shù)值模擬計(jì)算[6]，模型參數(shù)根據(jù)6號(hào)線西延工程地層參數(shù)選取。通過同一種地層及結(jié)構(gòu)參數(shù)，可計(jì)算分析不同工序帶來的地層變形影響。

圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道模型

3.1 正常工序仿真模擬計(jì)算分析

針對(duì)正常雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序，選取各洞室上方部位典型考察點(diǎn)進(jìn)行分析，6個(gè)導(dǎo)洞施工完成后其變形云圖見圖3。

圖3 正常工序法施工完成沉降變形云圖

考察點(diǎn)在各工序施工過程的累計(jì)變形值統(tǒng)計(jì)見表2，各測(cè)點(diǎn)分階段變形百分比統(tǒng)計(jì)見表3。

表2 各測(cè)點(diǎn)分階段變形值統(tǒng)計(jì)(正常工序) mm

表3 各測(cè)點(diǎn)分階段變形百分比統(tǒng)計(jì)(正常工序)

3.2 先上后下工序仿真模擬計(jì)算分析

針對(duì)先施工上層導(dǎo)洞然后施工下層導(dǎo)洞的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序，選取各洞室上方部位典型測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，施工完成后其變形云圖如圖4所示。

圖4 先上后下工序法施工完成沉降變形云圖

考察點(diǎn)在各工序施工過程的累計(jì)變形值統(tǒng)計(jì)見表4，各測(cè)點(diǎn)分階段變形百分比見表5。

表4 各測(cè)點(diǎn)分階段變形值統(tǒng)計(jì)(非正常工序) mm

表5 各測(cè)點(diǎn)分階段變形百分比統(tǒng)計(jì)(非正常工序)

3.3 不同工序模型仿真模擬計(jì)算對(duì)比分析

通過對(duì)不同工序雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道施工過程地表沉降理論變形分析可知:

(1)采用先上后下法施工時(shí)，其沉降量較傳統(tǒng)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道地表沉降量大，增加變形量約為25%。

(2)采用正常工序施工的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道地表變形規(guī)律呈現(xiàn)出兩側(cè)導(dǎo)洞施工時(shí)，地表沉降量較大、中間導(dǎo)洞施工時(shí)變形量較小的規(guī)律。下層導(dǎo)洞施工時(shí)，先行施工的導(dǎo)洞對(duì)地表變形影響較其他兩個(gè)導(dǎo)洞大，施工過程中，需針對(duì)各導(dǎo)洞施工過程對(duì)地表累計(jì)變形量的貢獻(xiàn)值區(qū)別對(duì)待，以更好地控制地表變形。

(3)采用先上后下工序施工的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道地表變形規(guī)律表現(xiàn)為上層導(dǎo)洞施工時(shí)，軸線上方地表考察點(diǎn)出現(xiàn)明顯沉降，而下層導(dǎo)洞施工時(shí)，對(duì)地表累計(jì)變形量貢獻(xiàn)較小的規(guī)律。采取該工法時(shí)，需對(duì)上層導(dǎo)洞施工加強(qiáng)重視。

4 實(shí)測(cè)地表沉降變形規(guī)律分析

針對(duì)上述工況，選取6號(hào)線西延及12號(hào)線兩處雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。測(cè)點(diǎn)布設(shè)剖面見圖5。

圖5 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道測(cè)點(diǎn)布設(shè)剖面(單位：mm)

4.1 6號(hào)線西延線大斷面上方地表變形分析

選取6號(hào)線西延渡線大斷面各導(dǎo)洞軸線上方14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)最大沉降-30.92mm，平均變形-19.95mm。本工程雙側(cè)壁導(dǎo)坑斷面上方地表測(cè)點(diǎn)沉降大部分處于-10～-25mm之間，變形分布呈現(xiàn)出較明顯的正態(tài)分布規(guī)律。

選取大斷面上方-10～-25mm沉降區(qū)間內(nèi)典型主測(cè)斷面上三個(gè)測(cè)點(diǎn)繪制沉降時(shí)程曲線(DB-07-32位于大斷面③洞室上方，DB-07-16位于⑤洞室上方，GCY-02-09位于①洞室上方)，見圖6。

圖6 6號(hào)線西延大斷面上方測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

根據(jù)變形時(shí)程曲線，對(duì)三個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分階段分析，其變形情況見表6～表7。

表6 各測(cè)點(diǎn)分階段變形值統(tǒng)計(jì)(6號(hào)線) mm

表7 各測(cè)點(diǎn)分階段變形百分比統(tǒng)計(jì)(6號(hào)線)

通過對(duì)上述三個(gè)部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變形進(jìn)行分析可知，在正常工序雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道施工過程中，位于兩側(cè)導(dǎo)洞軸線上方測(cè)點(diǎn)在兩側(cè)導(dǎo)洞施工時(shí)，呈現(xiàn)出在正下方導(dǎo)洞及鄰近導(dǎo)洞施工時(shí)產(chǎn)生較大的沉降，而在遠(yuǎn)離測(cè)點(diǎn)部位導(dǎo)洞施工時(shí)，沉降量相對(duì)偏小的趨勢(shì)。中間導(dǎo)洞軸線上方的測(cè)點(diǎn)在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道施工時(shí)，呈現(xiàn)出正下方導(dǎo)洞施工時(shí)產(chǎn)生較大沉降，而在兩側(cè)導(dǎo)洞施工時(shí)沉降量相對(duì)較小，但其所占比例相近的變形趨勢(shì)。

4.2 12號(hào)線大斷面上方地表變形分析

選取12號(hào)線雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道大斷面各導(dǎo)洞軸線上方14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)最大沉降-29.48mm，平均變形-24.18mm。12號(hào)線雙側(cè)壁導(dǎo)坑斷面上方測(cè)點(diǎn)大部分位于-20～-30mm之間，其中位于-25～-30mm之間變形值較為集中。

選取大斷面上方三個(gè)測(cè)點(diǎn)繪制沉降時(shí)程曲線(SSG-31-01位于大斷面③洞室上方，DB-12-04位于⑤洞室上方，DLG-32-01位于①洞室上方)，見圖7。通過對(duì)比統(tǒng)計(jì)，總結(jié)出施工期間各洞室分步工序沉降比例統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，見表8～表9。

圖7 12號(hào)線大斷面上方測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

表8 各測(cè)點(diǎn)分階段變形值統(tǒng)計(jì)(12號(hào)線) mm

表9 各測(cè)點(diǎn)分階段變形百分比統(tǒng)計(jì)(12號(hào)線)

通過對(duì)上述三個(gè)部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變形進(jìn)行分析可知，在先上后下工序雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道施工過程中，上層導(dǎo)洞施工時(shí)，地表沉降量占總沉降量比重偏大，其中軸線正上方測(cè)點(diǎn)在該測(cè)點(diǎn)正下方導(dǎo)洞施工時(shí)，占比為31% ～33%，兩側(cè)導(dǎo)洞施工時(shí)，占比略有減小。

4.3 不同工序?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

由于12號(hào)線施工的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道埋深較大，根據(jù)隧道施工影響地表的變形規(guī)律，當(dāng)斷面相同，工法、工序相同時(shí)，埋深大的隧道其施工完成后對(duì)地表的影響要小于埋深淺的隧道。但本次對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，采用先上后下法施工的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道其施工階段對(duì)地表變形量的貢獻(xiàn)值比6號(hào)線西延選取的傳統(tǒng)工法雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道變形值偏大。

在各導(dǎo)洞施工對(duì)總沉降的占比上，先上后下法施工隧道呈現(xiàn)出上層導(dǎo)洞施工期間對(duì)總沉降貢獻(xiàn)占比較正常工序上層導(dǎo)洞較大的情況。

5 結(jié)論

通過對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道正常施工工序及先上后下法施工工序施工過程地表沉降規(guī)律的理論計(jì)算分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論:

(1)采取傳統(tǒng)工序雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，導(dǎo)洞施工對(duì)該導(dǎo)洞軸線正上方測(cè)點(diǎn)影響較大，對(duì)周邊測(cè)點(diǎn)隨距離增加逐漸減小。上層導(dǎo)洞施工對(duì)總沉降量的影響比例為79%～80%，軸線正上方導(dǎo)洞施工時(shí)，貢獻(xiàn)百分比為30% ～33%，下層導(dǎo)洞施工對(duì)總沉降量影響的比例為19%～21%。

(2)采取先上后下法隧道施工時(shí)，上層導(dǎo)洞施工對(duì)地表影響較大，占總沉降量的84% ～87%。軸線正上方導(dǎo)洞施工時(shí)，貢獻(xiàn)百分比為31% ～34%，上層導(dǎo)洞施工完成后，由于形成上層棚護(hù)作用，在下層導(dǎo)洞施工時(shí)，對(duì)地表造成的沉降量較傳統(tǒng)工序造成的影響無論從絕對(duì)值還是從對(duì)總沉降量的占比分析均偏小，對(duì)總沉降量貢獻(xiàn)百分比為13% ～16%。

(3)在地層情況相近時(shí)，采取傳統(tǒng)工序雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，其變形量比先上后下法隧道施工造成的地表沉降量偏小。采用先上后下法施工時(shí)，其總沉降量較傳統(tǒng)工法增加達(dá)25%。在對(duì)控制沉降要求較嚴(yán)時(shí)，優(yōu)先推薦傳統(tǒng)工序雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。