南京地鐵小凈距隧道施工力學(xué)及工序優(yōu)化研究

李永瓏

(中鐵十七局集團(tuán) 第六工程有限公司，福建 福州 350014)

南京地鐵小凈距隧道施工力學(xué)及工序優(yōu)化研究

李永瓏

(中鐵十七局集團(tuán) 第六工程有限公司，福建 福州 350014)

以在建“南京地鐵”非對稱小凈距隧道為背景，深入研究施工全過程力學(xué)行為及工序優(yōu)化，總結(jié)變形特性、力學(xué)響應(yīng)及塑性區(qū)分布規(guī)律。得出主要結(jié)論：①先行洞(斷面小)變形主要受自身施工控制，后行洞(斷面大)關(guān)鍵控制步為右Ⅲ區(qū)開挖和臨時(shí)支撐的拆除，CRD法能有效減少洞身變形，控制塑性區(qū)增長。②隨著后行洞施工，先行洞支護(hù)內(nèi)力不斷演化，軸力和彎矩峰值逐漸向中巖墻側(cè)移動(dòng)，成為支護(hù)穩(wěn)定關(guān)鍵控制部位。由于先行洞開挖，相當(dāng)于中巖墻圍巖部分約束解除，后行洞豎向臨時(shí)支撐承受較大軸力。臨時(shí)支護(hù)拆除，其軸力向環(huán)向支護(hù)轉(zhuǎn)移，后行洞中巖墻側(cè)支護(hù)軸力明顯小于外側(cè)支護(hù)軸力。③右洞(斷面大)先行時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與左洞先行正好相反，并且安全系數(shù)最小值更小，支護(hù)最大壓應(yīng)力會(huì)增大。綜合考慮軸力、彎矩、安全系數(shù)、壓應(yīng)力及塑性區(qū)，宜先施工左洞(斷面小)，利用施工偏壓消除或減弱非對稱小凈距結(jié)構(gòu)偏壓作用。④隧道宜采用非對稱設(shè)計(jì)，加強(qiáng)左洞中巖墻側(cè)支護(hù)參數(shù)，而后行洞背離中巖墻側(cè)支護(hù)需加強(qiáng)參數(shù)，與先行洞規(guī)律相反。

小凈距隧道 力學(xué)行為 施工工序 中巖墻 結(jié)構(gòu)偏壓

隨著我國城市地鐵的飛速發(fā)展，小凈距隧道由于其占用空間小、彼此互通的特點(diǎn)得到了大量應(yīng)用［1-2］。在地形和地質(zhì)條件基本對稱時(shí)，非對稱小凈距隧道由于斷面不一致會(huì)引起結(jié)構(gòu)偏壓現(xiàn)象，同時(shí)受到施工偏壓［3-5］。隧道斷面越大，隧道施工后結(jié)構(gòu)所受偏壓越大，后行洞施工會(huì)對圍巖再次擾動(dòng)，使中巖墻穩(wěn)定性進(jìn)一步惡化，并引起先行洞支護(hù)內(nèi)力增大。

目前大多數(shù)研究主要集中于小凈距隧道爆破振動(dòng)控制、量測和開挖等方面，而對非對稱小凈距隧道動(dòng)態(tài)施工力學(xué)行為及工序研究相對較少［6-8］。非對稱結(jié)構(gòu)形式容易形成偏壓效應(yīng)，合理的施工工序會(huì)使偏壓情況減弱，如果施工工序選擇不恰當(dāng)，會(huì)進(jìn)一步加劇偏壓情形，使結(jié)構(gòu)安全性更差［9-10］。因此，對非對稱小凈距隧道非對稱結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行動(dòng)態(tài)施工力學(xué)行為及合理工序研究具有重要理論意義和實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。

1 工程概況

南京地鐵二號線一期工程苜蓿園站—小衛(wèi)街站區(qū)間小凈距段，主要為砂巖、泥巖。開挖過程中，頂部和側(cè)壁的松弛變形明顯，具有明顯時(shí)空效應(yīng)，中巖墻成為結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，小凈距隧道整體穩(wěn)定性與工法工況密切相關(guān)，如果控制不當(dāng)，巖柱體將不可避免地形成貫通的塑性區(qū)，導(dǎo)致塑性流動(dòng)失穩(wěn)。另外，小凈距段處于市區(qū)繁華地段，而且覆土地層淺、城市環(huán)境要求高，如果發(fā)生事故，將導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)不良影響。因此，合理的隧道支護(hù)參數(shù)和施工工序顯得尤為重要。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型的建立

考慮邊界效應(yīng)，模型范圍取得足夠大，橫向210 m，隧道中心到底部邊界選取50 m，上邊界為地表自由邊界，左右邊界水平位移約束，下邊界豎直位移約束。埋深38 m。采用 PLANE42單元模擬圍巖，初期支護(hù)和臨時(shí)支撐采用BEAM3梁單元，計(jì)算模型及開挖順序見圖1。

2.2 計(jì)算參數(shù)

參考地質(zhì)勘察參數(shù)分析報(bào)告，結(jié)合《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2005)，以及施工經(jīng)驗(yàn)，圍巖、加固區(qū)及支護(hù)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

3 動(dòng)態(tài)施工力學(xué)行為

3.1 圍巖變形

圖1 有限元計(jì)算模型及開挖順序

表1 物理力學(xué)參數(shù)

1)地表沉降

按照實(shí)際施工工藝，全斷面法先開挖左洞(斷面小)，CRD法再施工右洞(斷面大)，隨施工步進(jìn)行，地表橫向沉降曲線演變?nèi)鐖D2所示。

圖2 主要施工步結(jié)束后的地表沉降曲線

從圖2看出，左洞施工引起地表沉降較小，最大值為0.63 mm。而右洞施工引起沉降值較大，其中關(guān)鍵施工部為右Ⅰ區(qū)和右Ⅲ區(qū)開挖，及最后臨時(shí)支撐的拆除，最后的沉降量達(dá)到2.52 mm。最終地表沉降不是左、右洞開挖的簡單線性疊加，而是呈現(xiàn)非線性雙洞相互影響，特別是中巖墻的屈服?？傊?，右Ⅰ區(qū)和右Ⅲ區(qū)開挖，及最后臨時(shí)支撐的拆除要引起足夠重視，保證隧道整體穩(wěn)定性。

2)洞周關(guān)鍵點(diǎn)沉降

洞周豎向變形常常是評價(jià)穩(wěn)定性重要數(shù)據(jù)，隧道周邊關(guān)鍵點(diǎn)(拱頂、仰拱)變形隨施工荷載步變化時(shí)程曲線如圖3所示。

圖3 洞周關(guān)鍵點(diǎn)豎向變形時(shí)程曲線

從圖3看出，左洞拱頂和仰拱豎向變形主要由自身?xiàng)l件決定，右洞施工對左洞基本沒有影響。而左洞施工對右洞變形影響也較小，右洞拱頂、仰拱變形有兩個(gè)較大增長點(diǎn)，分別為右Ⅲ區(qū)開挖和臨時(shí)支撐拆除，需引起重視。

3.2 支護(hù)力學(xué)響應(yīng)

典型施工步結(jié)束后支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩、軸力見圖4～圖6。

圖4 先行洞施工后支護(hù)內(nèi)力云圖

從圖4～圖6可以看出，先行洞施工引起自身的支護(hù)內(nèi)力基本對稱，隨著右洞施工，先行洞內(nèi)力也在不斷演化，軸力和彎矩峰值逐漸向中巖墻側(cè)移動(dòng)，成為支護(hù)穩(wěn)定關(guān)鍵控制部位。對于后行洞而言，由于先行洞開挖，相當(dāng)于中巖墻部分約束解除，使得豎向臨時(shí)支撐承受較大軸力，支護(hù)接頭處出現(xiàn)較大彎矩。最后，臨時(shí)支護(hù)拆除，軸力向環(huán)向支護(hù)轉(zhuǎn)移，中巖墻側(cè)支護(hù)軸力明顯小于背離中巖墻側(cè)支護(hù)軸力。因此對于后行洞而言，背離中巖墻側(cè)支護(hù)相對處于更不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 右Ⅲ區(qū)施工后支護(hù)內(nèi)力云圖

圖6 臨時(shí)支護(hù)拆除支護(hù)內(nèi)力云圖

小凈距隧道施工完全結(jié)束后，左洞支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)安全度如表2所示。

從表2看出：非對稱小凈距隧道拱頂、仰拱安全性較好。中巖墻側(cè)先行洞安全系數(shù)小于背離中巖墻側(cè)，成為施工穩(wěn)定控制關(guān)鍵。先行洞中巖墻彎矩、軸力均大于背離中巖墻側(cè)。從研究結(jié)果來看，建議先行洞非對稱設(shè)計(jì)，加強(qiáng)中巖墻側(cè)設(shè)計(jì)參數(shù)或增大配筋量。

小凈距隧道施工完全結(jié)束后，右洞支護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)安全系數(shù)如表3所示。

從表3看出：后行洞支護(hù)受力規(guī)律與先行洞不同，中巖墻側(cè)支護(hù)軸力小于背離中巖墻側(cè)，安全系數(shù)大于背離中巖墻側(cè)。也就是說，對于右洞而言，應(yīng)加強(qiáng)背離中巖墻側(cè)的支護(hù)參數(shù)，適宜采用非對稱設(shè)計(jì)，與先行洞規(guī)律相反，才能有效地提高非對稱小凈距隧道整體穩(wěn)定性，節(jié)約成本，加快施工進(jìn)度。

表2 先行洞支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和安全系數(shù)

表3 后行洞支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和安全系數(shù)

4 施工工序優(yōu)化

為減小其他因素的影響，計(jì)算過程中均采用全斷面工法，研究施工工序?qū)χёo(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖穩(wěn)定性影響，計(jì)算參數(shù)及模型如表1、圖1所示。

4.1 支護(hù)力學(xué)響應(yīng)

1)彎矩比較

兩種工序條件下，引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩見圖7。

從圖7中看出，彎矩絕對值最大值(正彎矩、負(fù)彎矩)均發(fā)生在拱腳位置，左洞(斷面小)先行時(shí)，彎矩最大值發(fā)生在左洞(正彎矩78.46 kN·m，負(fù)彎矩35.52 kN·m);右洞(斷面大)先行時(shí)，彎矩最大值發(fā)生在右洞(正彎矩 86.05 kN·m、負(fù)彎矩44.87 kN·m)，且均位于中巖墻側(cè)。因此，從彎矩峰值大小來看，宜先施工左洞，更有利于支護(hù)安全。

圖7 施工結(jié)束后支護(hù)彎矩分布云圖(單位：N·m)

2)軸力比較

兩種工序條件下，支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力如圖8所示。

圖8 施工結(jié)束后支護(hù)軸力分布云圖(單位：N)

從圖8中看出，施工工序?qū)S力影響較大。左洞先行時(shí)，軸力最大值發(fā)生在左洞中巖墻側(cè)邊墻，為2 000 kN;右洞先施工時(shí)，軸力最大值發(fā)生在右洞中巖墻側(cè)邊墻，為2 280 kN。通常跨度大的隧道穩(wěn)定性更差，如果右洞先行，軸力最大值在大斷面隧道，更為不利。因此，綜合考慮，認(rèn)為先施工左洞更有利于小凈距隧道整體穩(wěn)定性。

以中巖墻側(cè)的關(guān)鍵點(diǎn)比較不同開挖工序引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)安全度見表4、表5。

對比表4、表5，左洞(斷面小)先行，中巖墻附近左洞安全系數(shù)小于右洞;右洞(斷面大)先行，中巖墻附近左洞安全系數(shù)大于右洞。但是安全系數(shù)最小值發(fā)生在右洞先行時(shí)，因此，左洞(斷面小)先施工較為合理。

表4 左洞先行時(shí)支護(hù)內(nèi)力和安全系數(shù)

表5 右洞先行時(shí)支護(hù)內(nèi)力和安全系數(shù)

3)應(yīng)力比較

不同開挖工序?qū)е轮ёo(hù)最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)分布如圖9所示。

圖9 施工結(jié)束后支護(hù)最小主應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

從圖9看出，左洞(斷面小)先行時(shí)，壓應(yīng)力最大值(11.5 MPa)發(fā)生在左洞中巖墻側(cè)邊墻處。右洞先行時(shí)，壓應(yīng)力最大值(12.4 MPa)發(fā)生在右洞中巖墻側(cè)邊墻處。顯然，右洞先行引起支護(hù)應(yīng)力更大。由此，先行洞中巖墻側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較大，右洞先行時(shí)支護(hù)受力更大，考慮到右洞斷面更大，安全性更不好控制，所以左洞先行方案更加合理。

4.2 塑性區(qū)分布特征分析

小凈距隧道開挖導(dǎo)致中巖墻承受更大荷載，如果塑性流動(dòng)失穩(wěn)，則對圍巖穩(wěn)定性非常不利，不同開挖工法引起塑性屈服區(qū)如圖10所示。

圖10 施工結(jié)束后塑性區(qū)分布云圖

從圖10中可以看出，左洞先行時(shí)，塑性區(qū)分布比較均勻沿洞周發(fā)展;右洞先行時(shí)，最大塑性應(yīng)變值比左洞先行時(shí)要大，最大值發(fā)生在中巖墻側(cè)，且分布相對不均勻，加大中巖墻的破壞程度，并且塑性區(qū)面積顯著增大。因此，從塑性應(yīng)變最大值、分布均勻程度及塑性區(qū)面積，均認(rèn)為左洞先行優(yōu)于右洞先行。

5 結(jié)論

1)先行洞(斷面小)變形主要受自身施工控制，后行洞(斷面大)關(guān)鍵控制步為右Ⅲ區(qū)開挖和臨時(shí)支撐的拆除，會(huì)導(dǎo)致右洞拱部沉降突變，同時(shí)CRD法能有效減少洞身變形，控制塑性區(qū)增長。

2)隨著后行洞施工，先行洞支護(hù)內(nèi)力不斷演化，軸力和彎矩峰值逐漸向中巖墻側(cè)移動(dòng)，成為支護(hù)穩(wěn)定關(guān)鍵控制部位。對于后行洞而言，由于先行洞開挖，相當(dāng)于中巖墻圍巖部分約束解除，豎向臨時(shí)支撐承受較大軸力，使得支護(hù)接頭處彎矩較大。

3)臨時(shí)支護(hù)拆除，其軸力向環(huán)向支護(hù)轉(zhuǎn)移，后行洞中巖墻側(cè)支護(hù)軸力明顯小于外側(cè)支護(hù)軸力。背離中巖墻側(cè)支護(hù)相對處于更不穩(wěn)定狀態(tài)。

4)右洞(斷面大)先行時(shí)，結(jié)構(gòu)受力與左洞先行正好相反，并且安全系數(shù)最小值更小，支護(hù)最大壓應(yīng)力會(huì)增大。綜合考慮軸力、彎矩、安全系數(shù)、壓應(yīng)力及塑性區(qū)，宜先施工左洞(斷面小)，利用施工偏壓消除或減弱非對稱小凈距結(jié)構(gòu)偏壓作用。

5)隧道宜采用非對稱設(shè)計(jì)，加強(qiáng)先行洞中巖墻側(cè)支護(hù)參數(shù)，而對后行洞支護(hù)設(shè)計(jì)而言，背離中巖墻側(cè)需加強(qiáng)參數(shù)。

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U455.41+1

A

1003-1995(2012)01-0054-05

2011-07-20;

2011-10-15

李永瓏(1973— )，男，內(nèi)蒙古清水河人，高級工程師，碩士。

(責(zé)任審編 王天威)