基于盾構(gòu)擴挖法的地鐵聯(lián)絡(luò)線施工力學分析

晏啟祥 劉 罡 李 彬 何 川 耿 萍

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，610031，成都，∥第一作者，教授)

21世紀，我國迎來了以地鐵建設(shè)為主體的城市地下空間開發(fā)熱潮［1-2］。地鐵建設(shè)的施工工法中，盾構(gòu)法具有對周圍環(huán)境影響小、施工安全快速和機械化程度高等優(yōu)點，已被廣泛認可并獲得大量運用［3］。由于存在大量以地鐵車站、風井、折返線和聯(lián)絡(luò)線為代表的擴大斷面，故部分學者對盾構(gòu)法在擴大斷面的應(yīng)用進行了研究，并提出了盾構(gòu)擴挖法(即在修建不規(guī)則異形斷面時，盾構(gòu)先行，然后在盾構(gòu)法的基礎(chǔ)上擴挖成所需斷面的施工方法)。該工法有利于提高盾構(gòu)的設(shè)備利用率、縮短工程建設(shè)周期、減小對周圍環(huán)境的影響、提高地鐵建設(shè)質(zhì)量，是盾構(gòu)法在城市地鐵、市政及其它眾多工程領(lǐng)域中大規(guī)模應(yīng)用的突破口，有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前，國內(nèi)學者已對盾構(gòu)擴挖法進行了部分研究，如:文獻［3］以北京地鐵10號線三元橋站為工程背景，重點分析了暗挖擴挖方案，并論證了方案的可行性;文獻［4］提出了在區(qū)間盾構(gòu)隧道的基礎(chǔ)上擴建地鐵車站的4種施工方案;文獻［5］系統(tǒng)闡述了盾構(gòu)擴挖車站支護技術(shù)措施和站臺隧道擴挖施工工法的主要施工工序要點和關(guān)鍵技術(shù);文獻［6］以北京地鐵14號線高家園站為背景，提出了在外徑10 m的大直徑盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上采用CRD(交叉中隔墻)法擴挖地鐵車站的兩種方案，并利用“地層－結(jié)構(gòu)”相互作用有限元法模擬了車站擴挖施工過程，研究了結(jié)構(gòu)體系的受力轉(zhuǎn)換規(guī)律;文獻［7］得到了盾構(gòu)擴挖法修建地鐵車站時施工引起的地層移動規(guī)律，并分析了其對地層擾動范圍、影響程度，以及當?shù)貙訔l件變化時盾構(gòu)和擴挖這兩個施工過程對地層擾動范圍、影響程度;文獻［8］對盾構(gòu)擴挖法建造地鐵車站施工過程中站廳隧道二襯的兩種施作時機進行了三維數(shù)值模擬，得出站廳隧道二襯必須在橫通道開挖之前施作好等結(jié)論。

上述研究主要集中在盾構(gòu)擴挖法在地鐵車站建設(shè)中的運用，而沒有涉及其在興建地鐵聯(lián)絡(luò)線中的應(yīng)用。本文以廣州地鐵3號線區(qū)間聯(lián)絡(luò)線為例，研究基于盾構(gòu)擴挖法的地鐵聯(lián)絡(luò)線施工力學的諸多特性。

1 工程概況

本文以廣州地鐵3號線客村—大塘區(qū)間(以下簡為“客大區(qū)間”)某聯(lián)絡(luò)線左線I型斷面(ZDK6+921.9～ZDK6+935.7)與右線對應(yīng) E型斷面構(gòu)成的IE型斷面為研究對象。該斷面代表了在盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上擴建成小凈距隧道類型。隧道底板穿過的巖層基本為強風化、中風化和微風化巖;隧道拱頂穿過的巖層主要為巖石全風化層及硬塑狀殘積層，局部為巖石強風化層，部分地段拱頂上覆砂層。區(qū)間地下水主要為孔隙水和基巖裂隙水，基巖裂隙透水性弱。該區(qū)間未揭示有斷層以及其它不良地質(zhì)構(gòu)造。地層從上到下分布及物理力學參數(shù)見表1。

表1 地層物理力學指標

擴建前的盾構(gòu)隧道斷面與擴建后的IE型斷面相對位置關(guān)系見圖1。左、右洞的開挖斷面面積分別約 77.6 m2、138.2 m2，跨度分別約 11.3 m、15.5 m，最大曲率半徑分別為 10.490 m、14.869 m，埋深9.5～20.0 m 不等。盾構(gòu)隧道外半徑 3.0 m，管片厚度0.3 m。施工方法可采用CRD法;如把右洞視為已存在的導坑，也可采用雙側(cè)壁導坑法。

圖1 盾構(gòu)隧道斷面與IE型擴建斷面的剖面相對位置關(guān)系

施工前需對擴挖前方掌子面地層采用小導管注漿進行超前預(yù)加固。小導管長4.0 m，外插角10°，縱向間距2.0 m，拱部約150°范圍注漿。超前預(yù)加固后，在不同工況下進行計算分析。具體的工況見表2。

表2 IE型擴建斷面模擬工況

2 有限元模型

模型采用有限差分軟件FLAC進行計算。圍巖和注漿改良后的圍巖皆用實體單元模擬，采用摩爾－庫侖塑性本構(gòu)關(guān)系。二次襯砌用實體單元模擬，采用彈性的混凝土本構(gòu)關(guān)系。噴射混凝土用殼單元模擬，殼厚0.45 m。錨桿用全粘結(jié)錨桿單元模擬，錨桿長2.0 m，直徑32 mm，環(huán)向間距為1.0 m，彈性模量取45 GPa，錨桿截面積490.1 mm2，最大抗拉力240 kN，砂漿剛度17.5 MN/m，單位長度水泥漿黏結(jié)力 2.0×105N/m。地下水位為地面以下2.0 m，并假設(shè)模型范圍自水面以下都充填地下水。計算采用無滲流模式計算。此模式下應(yīng)力重分配會改變地下水的超靜水壓力，從而改變有效應(yīng)力，影響開挖過程中圍巖的沉降。計算中采用的物理力學參數(shù)見表3。

表3 計算用物理力學參數(shù)

采用CRD法擴建的模型見圖2，其施工工序為:a盾構(gòu)施工;b左洞上部開挖、噴混凝土、安錨桿;c左洞下部開挖、噴混凝土;d左洞施工二次襯砌;e右洞左上部開挖、噴混凝土、安錨桿;f右洞左下部開挖、噴混凝土;g右洞右上部開挖、噴混凝土 、安錨桿;h右洞右下部開挖、噴混凝土;i右洞施工二次襯砌。

雙側(cè)壁導坑法擴建的模型見圖3，其施工工序為:a盾構(gòu)施工;b左洞上部開挖、噴混凝土、安錨桿;c左洞下部開挖、噴混凝土;d左洞施工二次襯砌;e右洞施工右導洞、噴混凝土;f右洞上部中心開挖、噴混凝土、安錨桿;g右洞上部右側(cè)開挖、噴混凝土、安錨桿;h右洞上部左側(cè)開挖、噴混凝土、安錨桿;i右洞下部開挖、噴混凝土;j右洞施工二次襯砌。

圖2 盾構(gòu)法基礎(chǔ)上采用CRD法擴建模型

圖3 盾構(gòu)法基礎(chǔ)上采用雙側(cè)壁導坑法擴建模型

3 施工特性

3.1 埋深9.5 m時的施工特性

通過有限元模型計算可得出埋深為9.5 m時兩種工況的地層豎向位移、噴射混凝土層的最大拉壓應(yīng)力、錨桿的最終軸力和二次襯砌的最大拉壓應(yīng)力。主要計算結(jié)果見表4。

表4 埋深9.5 m時擴建IE型斷面的位移和應(yīng)力最大值

(1)地層最大位移分布規(guī)律。地層位移的最大值均出現(xiàn)在右洞上方，并和上方地表位移接近。隆起最大值都出現(xiàn)在右洞的拱底部位。從工況對比看:采用CRD法開挖較雙側(cè)壁導坑法開挖的地層最大沉降小，但底拱附近地層的隆起略大。

(2)噴射混凝土層最大應(yīng)力分布規(guī)律。IE－1工況下，最大壓應(yīng)力主要集中在右洞的左側(cè)拱腳附近，而IE－2工況下，出現(xiàn)在左右洞的雙側(cè)拱腳。IE－1工況下，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在左右洞底拱略靠中夾土柱一側(cè)，而IE－2工況下，左洞的最大拉應(yīng)力在底拱略靠中夾土柱一側(cè)，右洞的最大拉應(yīng)力在拱頂部位。從數(shù)值上看，相比雙側(cè)壁導坑法，采用CRD法開挖時噴射混凝土層承受了較大的壓應(yīng)力和較小的拉應(yīng)力。

(3)錨桿軸力分布規(guī)律。采用CRD法開挖時，軸力較大的錨桿群分布在左洞拱部左側(cè)邊緣和右洞拱部右側(cè)邊緣，其次是右洞的拱頂部位;而雙側(cè)壁導坑法開挖時軸力較大的錨桿出現(xiàn)在右洞拱部左側(cè)邊緣。從數(shù)值上看，CRD法開挖時錨桿最大軸力較雙側(cè)壁導坑法開挖時小。

(4)二次襯砌最大拉壓應(yīng)力分布規(guī)律。兩種工況下，二次襯砌最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在左洞的右側(cè)拱腰，但其分布隨開挖方法的不同有些差別。當采用CRD法開挖時，左右洞的拱底拉應(yīng)力較大;當采用雙側(cè)壁導坑法開挖時，最大拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在左洞的底部。從量值上看，采用CRD法開挖時，二次襯砌的最大拉壓應(yīng)力均相對較小。

(5)特征點豎向位移分布規(guī)律，圖中橫坐標對應(yīng)施工工序a～i或a～j。IE－1、IE－2工況下左右洞特征點的豎向位移隨開挖工序或開挖分部的對應(yīng)曲線見圖4、圖5。圖6為IE－1、IE－2工況下地表不同位置在每一施工工序完成后的地表沉降曲線，其中，橫坐標的地表位置指圖2和圖3中地表點從左端開始從左到右間隔一點選取的13個地表點，a～i或a～j指施工工序。

圖4 工況IE－1左、右洞特征點豎向沉降

圖5 工況IE－2左、右洞特征點豎向沉降

圖6 工況IE－1、IE－2地表豎向沉降

右洞洞周特征點豎向位移在右洞開挖之前沒有大的變化。當采用CRD法開挖時，在右洞上斷面開挖過程中豎向位移變化較大，當開挖工序為h時，除右洞拱底隆起繼續(xù)加大外，其它點的下沉量并不大;同樣，當采用雙側(cè)壁導坑法開挖時，在開挖工序為f～h時，右洞洞周特征點豎向位移較大，而開挖導洞工序e時右洞洞周特征點變形較小。IE－1工況下，右洞右腰和拱頂特征點下沉量接近;IE－2工況下，右洞左腰和拱頂特征點下沉量接近。這說明右洞上斷面開挖完成的施工工序靠近側(cè)的拱腰特征點變形一般會較大。從圖4和圖5可知，左洞特征點的變形主要出現(xiàn)在b施工工序，即左洞上半斷面形成時，之后變形較小。右洞的開挖會使左洞洞周發(fā)生豎向沉降的特征點位移繼續(xù)緩慢增大，對左洞拱底特征點隆起產(chǎn)生回彈效應(yīng)。

(6)地表沉降情況。從圖6可知，盾構(gòu)隧道施工時會引起地表的輕微隆起，左洞上半斷面開挖后左洞上方地表迅速沉降。IE－1工況下，隨著右洞左上斷面的開挖，地表沉降位置逐漸向右洞地表上方移動，且沉降迅速增大，并使地表最大下沉位置出現(xiàn)在右洞上方;IE－2工況下，右洞開挖導坑和右洞上斷面遠離左洞開挖時，左洞上方地表繼續(xù)沉降量不大，但當開挖右洞上半斷面左側(cè)時，整個地表，包括左洞上方地表都將迅速發(fā)生沉降。

3.2 埋深19.5m時的施工特性

由計算結(jié)果可知，埋深為19.5m時地層豎向位移、噴射混凝土層的應(yīng)力、錨桿的軸力以及二次襯砌應(yīng)力的分布規(guī)律與埋深為9.5m時的分布規(guī)律一致，僅在數(shù)值上有較大的增加。因此，僅分析特征點豎向位移規(guī)律。

埋深19.5m 時，IE－3、IE－4工況下左右洞特征點的豎向位移隨開挖工序或開挖分部的對應(yīng)曲線見圖7、圖8。圖7中的開挖分部指圖2中的9個施工工序a～i，而圖8的開挖分部指圖3中的施工工序 a～j。

從圖7－a)和圖8－a)可見，當埋深增大到19.5m時，右洞拱頂拱腰的沉降會接近或超過拱頂?shù)某两抵怠E－3工況下，右洞的右側(cè)拱腰沉降大于右洞拱頂沉降;IE－4工況下，右洞的左側(cè)拱腰沉降大于右洞拱頂沉降。

從圖7－b)和圖8－b)可知，開挖右洞會增大左洞特征點的豎向位移:當埋深為19.5m時，增值為1.0 ～2.0cm;當埋深為 9.5m 時，增值為 0.0 ～1.0cm。說明在淺埋條件下，開挖右洞對左洞的影響會隨著隧道埋深的增加而增大。

4 沉降控制措施分析

前述分析結(jié)果表明:淺埋隧道中埋深較大的情況下擴建地下結(jié)構(gòu)，其地層位移和地表沉降可能超過允許范圍。為降低地表沉降，目前常采用降低地下水位、立柱輔助支撐、采用鋼拱架等施工措施。下面對沉降控制措施進行分析。

選取埋深為19.5m的雙線聯(lián)絡(luò)線隧道，采用CRD法進行擴建模型計算，具體模型見圖2。模型同樣采用超前小導管注漿，開挖順序以及錨桿、噴射混凝土參數(shù)不變。根據(jù)沉降控制措施不同，計算工況有3種，見表5。

表5 埋深19.5m時模擬的輔助措施工況編號及其對應(yīng)含義

立柱的位置見圖9，其使用是在圖2中右洞左斷面開挖完成后進行，即圖中f工序之后，并在施作二次襯砌之前拆除。鋼拱架是在左右洞噴錨支護后、施作二次襯砌之前立即進行。鋼拱架用梁單元模擬，其形狀見圖10。

圖7 工況IE－3左、右洞特征點豎向沉降

圖8 工況IE－4左、右洞特征點豎向沉降

圖9 立柱及其位置

圖10 鋼拱架模型

工況IE－5～IE－7的計算結(jié)果匯總見表6。為便于比較，把工況IE－3的計算結(jié)果一并列入表中。

表6 控制措施下擴建IE型斷面的位移和應(yīng)力最大值

對各變量參數(shù)分布規(guī)律分析如下:

(1)地層最大位移。最大位移均出現(xiàn)在右洞隧道拱頂右上部位，右洞底部地層隆起明顯。在有立柱情況下，立柱底部地層受到限制，隆起發(fā)生在立柱底部周圍。從數(shù)值上看，降低地下水位，對減小地層沉降和隆起有較大作用。如工況IE－5，地層最大位移從降水前的 －13.165 cm降至降水后的－8.979 2 cm，右洞底部的隆起從5.034 8 cm 降至4.895 7 cm。這主要是由于降低地下水位，可以增大土顆粒間的有效應(yīng)力使土層更為密實，改善土體性質(zhì)，進而減少沉降。如降水同時使用立柱輔助施工，則地層的沉降和隆起變得更小。計算還表明，利用鋼拱架，可以使地層位移顯著減小。如IE－5工況為－8.979 2 cm，但加上鋼拱架后，地層最大沉降減至 －3.233 6 cm。

(2)噴射混凝土層應(yīng)力。IE－5和IE－7工況下最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在右洞左側(cè)拱腰，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在其底部左側(cè)，而IE－6工況下最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在左洞拱頂，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在右洞底部兩側(cè)。3種工況下噴射混凝土層的最大壓應(yīng)力較工況IE－3都有所增大。而噴射混凝土層的拉應(yīng)力除工況IE－5有所減小外，其它兩種工況均較IE－3增大，尤其是采用立柱輔助時更為顯著。輔助施工的立柱底部會出現(xiàn)應(yīng)力集中。這是導致其應(yīng)力顯著增大的重要因素，因此，應(yīng)在立柱底部設(shè)置臨時基礎(chǔ)以便使應(yīng)力分布趨于合理。

(3)二次襯砌最大應(yīng)力。在IE－5和IE－7工況下，最大壓應(yīng)力依然分布在左洞右側(cè)拱腰，最大拉應(yīng)力一般在左洞的底部;在IE－6工況下最大壓應(yīng)力分布在左洞和右洞的左側(cè)拱腰，最大拉應(yīng)力分布在右洞的底部，其值達到4.488 8 MPa(超過二襯抗拉強度)。這也是由立柱底部應(yīng)力集中引起的，故立柱底部設(shè)置臨時基礎(chǔ)也可使應(yīng)力分布更為合理。

(4)錨桿軸力。工況IE－5～IE－7下錨桿的軸力較IE－3分布更均勻，且錨桿承受的軸力明顯增大。僅僅降低地下水位時，錨桿的受力增長很快。當有其它措施抑制地層變形時，錨桿軸力增長幅度要小一些。

通過以上的分析，可以看出:①降低地下水位能有效地減小地層變形，尤其有利于地表沉降控制。降低地下水位能充分發(fā)揮錨桿和噴射混凝土層的作用，使錨桿軸力和噴層承受的壓應(yīng)力顯著提高。②在右洞擴建時采用立柱支撐輔助施工措施，能有效控制地層在施工期間的變形;右洞采取立柱支撐輔助施工會導致應(yīng)力重分配重點往右洞左側(cè)或左洞轉(zhuǎn)移，引起左洞左側(cè)拱腰發(fā)生顯著變形，使左洞左側(cè)二次襯砌和左洞拱頂噴射混凝土層產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。立柱下應(yīng)設(shè)置臨時基礎(chǔ)，以避免應(yīng)力集中的出現(xiàn)。③采用鋼拱架無論對結(jié)構(gòu)受力和減小地層位移都是有利的。增加鋼拱架榀數(shù)對于控制地表沉降、改善復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)受力作用較大?？傊?，在地下結(jié)構(gòu)擴建過程中，采用降低地下水位、加設(shè)臨時支護等施工措施，可有效控制地表沉降。

5 結(jié)論

(1)在城市淺埋暗挖法異型斷面擴建施工中，如地層圍巖參數(shù)較低，且隧道埋深屬淺埋時，則隧道埋深越大，地層位移和地表沉降就越大。

(2)擴建的施工方式對地層位移和結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較大。施工方式影響的關(guān)鍵在于后行擴建隧道上半斷面的開挖次序和開挖時機。一般而言，對于雙洞小凈距隧道，要力求后行隧洞上半斷面分部開挖的最后一部盡量遠離先行隧洞，并且施工順序盡量靠后。

(3)如果在后行隧洞擴建前施作了二次襯砌，則應(yīng)重點關(guān)注先行隧洞鄰近后行隧洞側(cè)拱腰處二次襯砌的最大壓應(yīng)力。

(4)如地下結(jié)構(gòu)在淺埋情況下埋深相對較大，當擴建引起的地層位移和地表沉降超過地表建筑物的允許范圍時，一定的施工沉降控制措施是必要的。計算表明施工沉降控制措施對于控制地表沉降和地層位移非常有效。

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