陶連金， 董瑞龍， 張 宇

(北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100124)

0 引 言

受地質(zhì)條件、施工條件等諸多因素的影響，采用單一方法獲得的隧道結(jié)構(gòu)及圍巖變形狀態(tài)很難全面反映真實(shí)狀況，無法為復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道設(shè)計(jì)和施工提供充分的依據(jù)[1]。特別是在圍巖條件較差的特殊地段，采用現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值模型結(jié)合的方式對(duì)隧道施工設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化分析，對(duì)特殊地層下隧道設(shè)計(jì)與施工具有重要意義[2-5]。

白家設(shè)等[6]以軟弱地層下的南山路淺埋雙連拱隧道為依托，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬研究了雙連拱隧道施工步序?qū)绊敵两怠⑦厜κ諗康挠绊?。趙東平等[7]以鄭萬高鐵重慶段小三峽隧道工程為依托,通過現(xiàn)場量測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)砂巖順層傾角、間距及地下水等因素對(duì)大跨度順層隧道力學(xué)特征的影響進(jìn)行了研究。姜久純等[8]采用有限元數(shù)值模擬并輔以現(xiàn)場監(jiān)測的手段,研究了小交角近距離下穿既有隧道時(shí)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律,并提出了針對(duì)該工程的短臺(tái)階增設(shè)臨時(shí)仰拱的開挖方式。仇文革等[9]依托成都地鐵5號(hào)線下穿寶成鐵路咽喉區(qū)工程，通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等方法，得出了地表沉降的變形規(guī)律與控制措施。王志杰等[10]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等方法,提出了膨脹性鹽巖地層多層支護(hù)隧道施工宜采用二臺(tái)階法。

通過對(duì)已有的研究分析可以看出，不同的地質(zhì)條件會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與圍巖支護(hù)產(chǎn)生較大影響，且針對(duì)富水砂-黏復(fù)合地層下的暗挖施工研究十分少見。筆者依托北京地鐵17號(hào)線某新建隧道區(qū)間工程，在現(xiàn)場監(jiān)測的基礎(chǔ)上建立三維數(shù)值模型，對(duì)施工過程中的隧道襯砌、圍巖和先行標(biāo)準(zhǔn)線的變形特征及后續(xù)二次襯砌的施工進(jìn)行分析，以期對(duì)富水砂-黏復(fù)合地層隧道的施工、設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)與指導(dǎo)。

1 概 況

1.1 工程概況

新建區(qū)間隧道位于北京市朝陽區(qū)，全長165 3 m，隧道拱頂埋深約為19.2 m，底板埋深約28.8 m。區(qū)間北端部分采用暗挖法施工(左線渡線及停車線大斷面388 m、右線標(biāo)準(zhǔn)斷面322 m)，其余區(qū)間段采用盾構(gòu)法施工。新建隧道區(qū)間兩側(cè)基本為建成區(qū)，道路狹窄、建筑密集，管線分布較多。監(jiān)測斷面處右線一側(cè)為多棟居民樓，左線一側(cè)為處于停工狀態(tài)的已開挖建筑基坑，區(qū)間平面位置示意圖如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)與水文條件

新建區(qū)間隧道上覆土主要為雜填土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)中砂、中砂、黏土。礦山法區(qū)間主要穿越黏質(zhì)粉土⑥2層和黏土⑦5層。暗挖區(qū)間段整體位于地下水位以下，影響暗挖區(qū)間施工的主要為層間潛水(三)及層間潛水—承壓水(四)。層間潛水(三)主要分布于區(qū)間隧道頂部的黏質(zhì)粉土⑥2、中砂⑤1中。層間潛水—承壓水(四)主要分布于區(qū)間結(jié)構(gòu)底板處中砂⑦1層和黏質(zhì)粉土⑦3層中，由于隔水層起伏，層間地下水局部地段具有微承壓性。監(jiān)測斷面處工程地質(zhì)情況見圖2。

1.3 施工方案

新建隧道為渡線及停車大斷面，其中QB斷面、QD斷面采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，QA斷面采用CRD法施工。新建隧道QA斷面施工前右線標(biāo)準(zhǔn)斷面初支與QB斷面、QD斷面二次襯砌均施工完成。新建隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)：①超前支護(hù)階段：深孔注漿采用后退式注漿，注單液水泥漿，每段注漿縱向長度12 m，搭接2 m。超前小導(dǎo)管注漿采用DN32×2.75 mm焊接鋼管，L=2 m，注單液水泥漿，環(huán)向間距300 mm，縱向間距500 mm；②初期支護(hù)階段：QA斷面和標(biāo)準(zhǔn)斷面格柵鋼架主筋均選擇Ф25 mm，HRB400型鋼筋。噴射混凝土為C20型，厚度350 mm。鋼筋網(wǎng)片為Ф6.5 mm,間排距150 mm×150 mm； QA斷面采用內(nèi)外雙層布置，標(biāo)準(zhǔn)斷面采用外側(cè)單層布置?？v向連接筋Ф22 mm；HRB400型，環(huán)向間距1.0 m鎖腳錨管采用DN32×2.75 mm焊接鋼管，L=2 m，注單液水泥漿。③二次襯砌：采用C40混凝土，防滲等級(jí)為P10，QA斷面襯砌厚度600 mm，標(biāo)準(zhǔn)斷面襯砌厚度300 mm。導(dǎo)洞現(xiàn)場施工情況見圖3。CRD法開挖斷面與幾何尺寸如圖4所示，

2 初期支護(hù)施工階段

2.1 模型的建立

為詳細(xì)研究開挖過程中隧道圍巖與結(jié)構(gòu)的變形狀況，在現(xiàn)場監(jiān)測的基礎(chǔ)上，通過FLAC3D有限差分軟件，建立了與現(xiàn)場條件相近的數(shù)值模型，通過賦予校核后模型與現(xiàn)場一致的施工工序，分析施工過程中的沉降及變形規(guī)律，并利用該模型進(jìn)行后續(xù)二次襯砌施工的相關(guān)研究。隧道開挖數(shù)值模型如圖 5 所示。

數(shù)值模擬施工步序：①建立三維模型，初始地應(yīng)力平衡。②右側(cè)標(biāo)準(zhǔn)線開挖：深孔注漿(注漿12 m/搭接2 m)→上下臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺開挖(上下臺(tái)階間距6 m)。③左側(cè)CRD法開挖：深孔注漿(注漿18 m/搭接2 m)→導(dǎo)洞1、導(dǎo)洞2、導(dǎo)洞3、導(dǎo)洞4循環(huán)進(jìn)尺開挖。④標(biāo)準(zhǔn)段拆撐：分段(6 m)截?cái)嗯R時(shí)仰拱，施做二次襯砌混凝土。⑤CRD段拆撐：分段(6 m)依次截?cái)嘀懈舯诤团R時(shí)仰拱，施做二次襯砌混凝土。

為消除模型前后兩端邊界條件的影響，選取模型縱向20 m處作為監(jiān)測斷面。部分現(xiàn)場實(shí)測點(diǎn)與模擬監(jiān)測點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖6。

模型采用位移邊界，限制其側(cè)邊水平移動(dòng)及底部垂直移動(dòng)，上表面為自由邊界。模型均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。其中土體、超前加固使用摩爾-庫侖本構(gòu)，土體參數(shù)根據(jù)詳勘報(bào)告中的巖土參數(shù)建議值進(jìn)行賦值。隧道襯砌采用線彈性本構(gòu)，通過等效剛度計(jì)算，將格柵鋼架與噴射混凝土進(jìn)行綜合考慮。模型中采用的材料參數(shù)如表1、表2所示。

表1 結(jié)構(gòu)材料的物理參數(shù)

表2 土層的物理參數(shù)

為盡可能還原現(xiàn)場實(shí)際施工狀況，將施工日志進(jìn)行了對(duì)應(yīng)整理，得出了監(jiān)測斷面前后20 m范圍內(nèi)的各導(dǎo)洞累計(jì)施工進(jìn)尺情況如圖7所示。其中，l為各導(dǎo)洞累計(jì)施工進(jìn)尺。后續(xù)模擬各導(dǎo)洞的施工進(jìn)尺按照?qǐng)D7進(jìn)行。

2.2 模型的驗(yàn)證

將實(shí)測地表沉降點(diǎn)DB-34-3數(shù)據(jù)與模擬對(duì)應(yīng)的相同位置的沉降點(diǎn)DB-30-2的數(shù)據(jù)按照施工進(jìn)度時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)整理，并繪制二者的地表沉降sd隨施工進(jìn)度的變化曲線，如圖8所示。

由圖8可以看出：①在12月中旬前，二者無論是數(shù)值還是變化趨勢(shì)上均可較好的吻合；②在12月中旬后，由于現(xiàn)場改變降水方案，在進(jìn)行降水井的施工及后期管井降水過程中均會(huì)對(duì)地表沉降產(chǎn)生一定的影響，而數(shù)值模擬過程中不考慮地下水的影響，因此最終沉降值小于現(xiàn)場實(shí)測值，但二者變化趨勢(shì)基本一致，初步驗(yàn)證了數(shù)值模型的有效性。

將實(shí)測拱頂沉降點(diǎn)GD-QA1-4數(shù)據(jù)與模擬對(duì)應(yīng)的相同位置的沉降點(diǎn)GD-10-4的數(shù)據(jù)按照施工進(jìn)度時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)整理，并繪制二者的拱頂沉降sg隨施工進(jìn)度的變化曲線，如圖9所示。

由圖9可以看出，數(shù)值模擬的拱頂沉降變化規(guī)律與實(shí)測數(shù)據(jù)基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模型的有效性。因此可以利用數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)施工過程中的隧道圍巖與結(jié)構(gòu)的變形狀況進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 圍巖豎直方向變形

施工過程中圍巖豎向位移云圖與地表沉降槽隨施工的變化情況如圖10與圖11所示。由圖10可以看出：①在CRD法施工過程中，由于右側(cè)先期施工標(biāo)準(zhǔn)線的存在，使得后續(xù)CRD法施工過程中圍巖的豎向變形與前者相互疊加，相互影響，最終圍巖的豎向變形較大區(qū)域出現(xiàn)在兩隧道之間且靠經(jīng)CRD大斷面一側(cè)。②施工完成后圍巖沉降變形較大的區(qū)域穩(wěn)定在導(dǎo)洞3上方。③施工完成后圍巖的最大豎向沉降變形為82.71 mm，最大豎向隆起變形為36.67 mm。

由圖 11可以看出：①施工對(duì)CRD隧道中心線左右50 m 范圍外的地表沉降影響可忽略不計(jì)，在距CRD隧道中心線的距離d=30 m范圍內(nèi)，施工對(duì)其地表沉,影響較為明顯。 ②導(dǎo)洞2通過監(jiān)測斷面后，地表沉降槽寬度基本不發(fā)生變化，

后續(xù)施工主要引

起沉降槽范圍內(nèi)變形的增加。③右側(cè)標(biāo)準(zhǔn)線施工完成后，地表沉降最大值為20.72 mm，最大值點(diǎn)位于標(biāo)準(zhǔn)線正上方，隨著左側(cè)大斷面隧道的不斷開挖，地表沉降最大值點(diǎn)不斷左移，最終當(dāng)導(dǎo)洞2通過監(jiān)測斷面后，其水平位置基本穩(wěn)定，最終穩(wěn)定于兩隧道之間靠近大斷面一側(cè)約5m處，最終地表沉降最大值為60.74 mm。

2.3.2 拱頂沉降

由圖12可以看出：①標(biāo)準(zhǔn)線拱頂沉降測點(diǎn)處最終累計(jì)變形為39.26 mm。②CRD斷面拱頂沉降測點(diǎn)處最終累計(jì)變形依次為81.65、54.91、59.54 mm；其中導(dǎo)洞1拱頂處兩測點(diǎn)沉降變形規(guī)律比較相近，導(dǎo)洞1、導(dǎo)洞2通過階段累計(jì)變形量占到了最終變形量的約80%。③導(dǎo)洞3內(nèi)測點(diǎn)沉降變形在導(dǎo)洞3初支封閉前短時(shí)間內(nèi)存在一個(gè)較大的突變，約占最終變形量的1/3。由圖13可以看出：①各測點(diǎn)最終的拱頂沉降變形值遠(yuǎn)小于測點(diǎn)的總變形，其主要原因是拱頂沉降主要是在初期支護(hù)封閉后才開始量測，而在此之前土體已發(fā)生較大沉降變形。②拱頂沉降變形速率最大階段均出現(xiàn)在初期支護(hù)剛封閉完成后的臨近施工階段，因此在實(shí)際現(xiàn)場監(jiān)測中，現(xiàn)場各種因素限制了測點(diǎn)的及時(shí)布置，拱頂沉降變形速率最大階段數(shù)據(jù)極易缺失，導(dǎo)致拱頂沉降數(shù)據(jù)失真，使得最終現(xiàn)場拱頂沉降監(jiān)測值遠(yuǎn)小于模擬拱頂沉降值。③標(biāo)準(zhǔn)線拱頂沉降最終累計(jì)變形為18.13 mm，CRD斷面拱頂沉降測點(diǎn)處最終累計(jì)變形依次為15.77、30.04、33.98 mm， CRD斷面拱頂最大沉降出現(xiàn)于導(dǎo)洞1中部位置的GD-20-4。

2.3.3 大斷面隧道施工對(duì)標(biāo)準(zhǔn)線的影響

由2.3.2節(jié)可以看出，CRD大斷面施工前后，標(biāo)準(zhǔn)線的拱頂沉降分別為9.78、18.13 mm,即大斷面的施工會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)線的拱頂沉降增大8.35 mm，增加了約85%。記測點(diǎn)水平位移為sh。由圖14可以看出：①標(biāo)準(zhǔn)線下導(dǎo)洞的初支收斂值為10.5 mm，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)線上導(dǎo)洞初支收斂。②標(biāo)準(zhǔn)線施工完成后，CRD大斷面的施工對(duì)標(biāo)準(zhǔn)線初支水平方向的影響主要表現(xiàn)為隧道初支整體向右移動(dòng)了約17 mm，而對(duì)標(biāo)準(zhǔn)線初期支護(hù)的收斂影響非常小。

3 二次襯砌施工階段

在初期支護(hù)施工完成后，大斷面隧道拆除臨時(shí)隔壁與臨時(shí)仰拱施做二襯的施工工法與進(jìn)尺的選取至關(guān)重要。本節(jié)分別對(duì)不同的拆撐長度L通過數(shù)值模擬進(jìn)行了計(jì)算與分析，計(jì)算工況見表3。圖15為不同工況下地表測點(diǎn)的沉降變形，其中l(wèi)2為二襯施工累計(jì)進(jìn)尺。

表3 二襯施工工況

由圖15可以看出，當(dāng)單次拆撐長度從2 m增加到6 m時(shí)，測點(diǎn)沉降增長較緩，增量約為1.36 mm；而當(dāng)單次拆撐長度從6 m增加到10 m時(shí)，測點(diǎn)沉降發(fā)生了明顯的增長，增量約為2.89 mm。

圖16為不同工況下地表最大沉降曲線。由圖16可以看出，當(dāng)單次拆撐長度大于6 m時(shí)，會(huì)加劇地表的沉降變形，因此在實(shí)際施工過程中，為控制圍巖與結(jié)構(gòu)變形，二次襯砌施工階段單次拆撐長度長度應(yīng)盡量控制在6 m以下。

4 結(jié) 論

(1)由于右側(cè)先期施工標(biāo)準(zhǔn)線的存在，使得后續(xù)CRD法施工過程中圍巖的豎向變形與前者相互疊加，相互影響，最終圍巖的豎向變形較大區(qū)域出現(xiàn)在兩隧道之間且靠經(jīng)CRD大斷面一側(cè)，最終圍巖的最大沉降變形為82.71 mm，最大隆起變形為36.67 mm，地表沉降最大值為60.74 mm。

(2)拱頂沉降變形值遠(yuǎn)小于拱頂測點(diǎn)總豎向變形，即初支封閉前，圍巖已發(fā)生較大的沉降變形；現(xiàn)場拱頂沉降監(jiān)測值遠(yuǎn)小于模擬拱頂沉降值，即初支封閉后，現(xiàn)場測點(diǎn)布置滯后，前期數(shù)據(jù)缺失。

(3)大斷面隧道的施工會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)線拱頂沉降變形增加約46%，而對(duì)標(biāo)準(zhǔn)線初期支護(hù)的收斂影響非常小，但會(huì)造成標(biāo)準(zhǔn)線隧道初支整體右移約17 mm。

(4)在實(shí)際施工過程中，二襯施工階段單次拆撐長度應(yīng)盡量控制在6 m以下。