大跨度地鐵暗挖車站圍巖穩(wěn)定性分析及方案優(yōu)選研究

□文 /李美群

對(duì)于交通導(dǎo)改、管線遷改難度較大，不具備明挖施工條件的地鐵車站一般采用淺埋暗挖法施工。淺埋暗挖施工由超前支護(hù)、超前加固、土體開挖、初噴混凝土、格柵支護(hù)、二次襯砌等主要施工歩序組成，特別是在砂層范圍內(nèi)的大斷面暗挖施工具有開挖作業(yè)面小、施工工序復(fù)雜、施工難度大、施工風(fēng)險(xiǎn)大的特點(diǎn)。因此，暗挖施工方案的比選和論證是十分必要的。

目前國(guó)內(nèi)地鐵在淺埋暗挖法方面積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。王夢(mèng)恕院士[1]基于多年的工程實(shí)踐和理論研究，創(chuàng)造并完善了地下工程淺埋暗挖法設(shè)計(jì)與施工配套技術(shù)；鄭穎人院士[2]完善了隧道圍巖破壞機(jī)理和隧洞設(shè)計(jì)計(jì)算方法；易小明等[3]從力學(xué)機(jī)制上分析隧道上覆土體沉降機(jī)理；姚明會(huì)等[4]采用有限元法模擬分析了淺埋暗挖法大跨度隧道沉降；時(shí)亞昕等[5]采用隨機(jī)介質(zhì)理論法對(duì)地表沉降進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析；李志輝等[6]研究如何控制地表沉降；姚宣德[7]等對(duì)地表控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。本文采取數(shù)值模擬方法對(duì)這一問題進(jìn)行研究。

1 工程概況

某地鐵車站周邊建構(gòu)筑物及市政管線分布密集。車站總長(zhǎng)279.32 m，兩端為明挖2層三跨箱型框架結(jié)構(gòu)，中間段為暗挖單層三跨聯(lián)拱結(jié)構(gòu)。中間暗挖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)68.76 m，開挖寬度22.6 m，高度9.37 m，頂拱埋深約9.67 m。開挖斷面大，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，圍巖穩(wěn)定性較差，周邊建構(gòu)筑物及市政管線分布多，沉降要求高，影響因素眾多。

2 圍巖穩(wěn)定數(shù)值分析

2.1 圍巖穩(wěn)定問題

結(jié)構(gòu)施工范圍內(nèi)土層主要為人工填土層、黃土狀粉質(zhì)粘土②2層、黃土狀粉土③3層、黃土狀粉質(zhì)粘土③1層、黃土狀粉土③2層和粉細(xì)砂④1層。由于地面的交通流量較大，車輛行駛產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)隧洞拱頂土層有直接擾動(dòng)作用，致使砂石層變得松散。同時(shí)，暗挖段上部人工填土層成分復(fù)雜，密實(shí)程度低，均勻性差，透水性強(qiáng)，當(dāng)有管線滲漏或其他水體的意外補(bǔ)給時(shí)將會(huì)形成匯水通道，發(fā)生沉陷，易引發(fā)地表塌陷，當(dāng)其下部土體開挖失去支撐后極易發(fā)生坍塌。黃土狀粉質(zhì)粘土②2層、黃土狀粉土③3層、黃土狀粉質(zhì)粘土③1層、黃土狀粉土③2層具有輕微濕陷性，當(dāng)有管線滲漏或其他水體的意外補(bǔ)給時(shí)將會(huì)形成匯水通道，發(fā)生沉陷，易引發(fā)地表塌陷。土體整體自穩(wěn)能力差，暗挖法施工時(shí)無法形成自然應(yīng)力拱，易發(fā)生塌落現(xiàn)象，見表1。

表1 土的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 施工方案模擬

經(jīng)工程類比，初步判定該暗挖車站具有可行性的施工方案主要有中洞法、側(cè)洞法、柱洞法3種。

1）中洞法。中洞先行，建立起梁、柱支撐體系，然后施作側(cè)洞。該方法分塊多，多次擾動(dòng)地層，但先建立起的梁柱體系對(duì)地面沉降起一定控制作用。

2）側(cè)洞法。兩個(gè)側(cè)洞先行，然后施作中洞。該方法分塊多，工序多，對(duì)地層擾動(dòng)最大。

3）柱洞法。先挖柱洞完成中柱再開挖中洞。該方法分塊多，多次擾動(dòng)地層，但先建立起的梁柱體系對(duì)地面沉降起一定控制作用。

2.3 數(shù)值模擬參數(shù)

計(jì)算采用美國(guó)It asca公司的Fl ac3D有限差分軟件進(jìn)行平面模型計(jì)算。地層及初襯、二襯結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，除支護(hù)結(jié)構(gòu)單元采用彈性模型外，地層結(jié)構(gòu)單元均采用莫爾庫(kù)倫模型進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)圣維南原理，計(jì)算模型范圍為160 m×80 m（長(zhǎng)×寬），節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為 8 592個(gè)（柱洞法）、8 660個(gè)（中洞法）、8 914個(gè)（側(cè)洞法），單元數(shù)分別為4 176個(gè)（柱洞法）、4 220個(gè)（中洞法）、4 338個(gè)（側(cè)洞法），見圖1。

圖1 柱洞法、側(cè)洞法、中洞法模型對(duì)比

在模擬過程中，將地表施工載荷等效為20 kPa的均布載荷。模型邊界條件，對(duì)底部采用水平和豎直位移約束，兩側(cè)只有水平位移約束。巖土體均采用Mohr-Coul omb模型，混凝土襯砌采用彈性體材料。

3 結(jié)果分析及方案優(yōu)選

3.1 位移分布分析

3種施工方案位移分布情況見圖2。

圖2 各施工方案豎向位移

由圖2可以看出，3種施工方案的土體和襯砌都要頂拱部位位移向下，底板部位位移向下的情況，整個(gè)暗挖隧道洞室徑向收斂。從總體上看，側(cè)洞法施工方案洞徑收斂情況最為嚴(yán)重。

3.2 地表沉降分析

地表沉降主要是由于施工引起的地層損失和施工過程中圍巖周圍受擾動(dòng)或受剪切破壞的重塑土再固結(jié)所造成的。拱頂沉降是評(píng)價(jià)圍巖位移大小及穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)。隧道在分步施工時(shí)，沿隧道縱向軸線垂直斷面方向上會(huì)出現(xiàn)沉降槽。

經(jīng)分析比較，柱洞法最大地表沉降值約26mm，側(cè)洞法最大地表沉降約32mm，中洞法最大地表沉降約29mm。工程位于城市主干道下方，對(duì)地表沉降有嚴(yán)格的控制要求。地表沉降為選擇施工方案的重要參考指標(biāo)。柱洞法和中洞法方案滿足地表最大沉降量＜30mm的施工要求，優(yōu)于側(cè)洞法方案。

3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

暗挖隧道開挖主要由初期支護(hù)承受應(yīng)力釋放，二襯作為安全儲(chǔ)備。隨著開挖進(jìn)行，初期支護(hù)上出現(xiàn)應(yīng)力集中，見表2。

施工方案 應(yīng)力集中工況最大拉應(yīng)力/MPa出現(xiàn)位置最大壓應(yīng)力/MPa出現(xiàn)位置中洞法 開挖最下層邊導(dǎo)洞 9.88最下層邊導(dǎo)洞初支外表面-13.32最下層邊導(dǎo)洞初支內(nèi)表面?zhèn)榷捶?開挖最下層邊導(dǎo)洞 12.54第二層邊導(dǎo)洞初支外表面-15.72第二層邊導(dǎo)洞初支內(nèi)表面柱洞法 開挖最下層邊導(dǎo)洞 9.23最下層邊導(dǎo)洞初支外表面-12.95最下層邊導(dǎo)洞初支內(nèi)表面

由表2可以看出，初支上的應(yīng)力都比較大。其中柱洞法方案與中洞法方案應(yīng)力最大位置相同，而側(cè)洞法最大應(yīng)力位置不同，這與施工工序?qū)?yīng)的最大應(yīng)力釋放區(qū)是對(duì)應(yīng)的。整體上看，柱洞法應(yīng)力值最小，應(yīng)力集中區(qū)最小。

3.4 施工難度、速度、安全與工程造價(jià)分析

柱洞法方案中洞施工支撐多、拆除量大、造價(jià)最高。中洞法方案由于中洞和側(cè)洞開挖采用3層6步，分塊較多，工期最長(zhǎng)，見表3。

表3 3種施工工法比較

3.5 方案優(yōu)選

對(duì)模擬得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果和工程類比調(diào)查統(tǒng)計(jì)得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行模糊評(píng)判[8]。首先確定評(píng)判對(duì)象集U={地表沉降、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、凈空收斂、施工難度、施工速度、安全性、工程造價(jià)}，然后建立評(píng)判集V={很好、較好、一般、較差、很差}。邀請(qǐng)各相關(guān)領(lǐng)域的專家對(duì)評(píng)判對(duì)象集進(jìn)行評(píng)分，得到單因素評(píng)判向量Ri，進(jìn)而建立評(píng)判向量矩陣R，以便量化分析。接著通過不同因素的權(quán)重分配得到權(quán)重集A。最后，利用Fuzzy綜合評(píng)判B=AoR（o為模糊合成算子）。

通過模糊評(píng)判方法得到最優(yōu)方案為柱洞法方案。

4 施工專項(xiàng)措施

通過數(shù)值模擬分析，可以發(fā)現(xiàn)暗挖施工存在安全隱患主要在于拱頂?shù)乃浼白钕聦舆厡?dǎo)洞拱腳位置應(yīng)力集中。故應(yīng)特別注意加強(qiáng)以下針對(duì)性的專項(xiàng)處理措施。

4.1 掌子面注漿

掌子面遇砂層時(shí)在上導(dǎo)洞設(shè)置超前導(dǎo)管并注漿加固地層（超前導(dǎo)管單根長(zhǎng)度3 m，搭接1 m；相鄰導(dǎo)管間距600mm×600mm，最外圈的超前導(dǎo)管距離初襯內(nèi)輪廓200mm）。砂層中注漿漿液為改性水玻璃漿液。

4.2 超前小導(dǎo)管注漿

為改良工作面前方地層，保證開挖工作面的穩(wěn)定，隧道開挖時(shí)須采用超前小導(dǎo)管注漿加固地層。小導(dǎo)管每榀設(shè)置長(zhǎng)度2.0 m，環(huán)向間距300mm。主體結(jié)構(gòu)下層小導(dǎo)洞拱頂采用單排小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)。打設(shè)范圍：上層導(dǎo)洞在拱部180°設(shè)置，下層導(dǎo)洞在拱部120°范圍設(shè)置，初襯扣拱拱部全部設(shè)置。小導(dǎo)管漿液材料根據(jù)地層情況選擇，粘土、粉土一般情況下不注漿，砂層一般采用改性水玻璃。

注漿量、配比、注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，小導(dǎo)管超前注漿形成的加固圈厚度≮2.0 m。注漿結(jié)束后，必須對(duì)注漿效果進(jìn)行檢查并對(duì)注漿的薄弱部位，重新補(bǔ)充注漿。

4.3 鎖腳錨管

拱腳鎖腳錨管采用φ42mm×3.25mm小導(dǎo)管，單根長(zhǎng)度3.0 m，每榀每拱腳處設(shè)2根，水平傾角15°～30°；注漿漿液采用水泥-水玻璃漿液，注漿壓力一般控制在0.3～0.5 MPa（粉質(zhì)粘土層可適當(dāng)加大至0.5～0.8 MPa）。鎖腳錨管與鋼格柵焊接連接牢固。

4.4 深孔注漿及地面注漿加固

車站暗挖段拱部采用深層注漿方式加固，加固范圍為初襯外輪廓向外2.5 m、內(nèi)輪廓向內(nèi)0.5 m。暗挖車站上方的大斷面雨污合流方溝采取兩排小導(dǎo)管地面注漿加固，小導(dǎo)管長(zhǎng)度6 m，間距1 m，加固范圍延伸至車站兩側(cè)各10 m。

4.5 超前地質(zhì)探孔

掌子面開挖前打設(shè)超前地質(zhì)探孔并分析地層狀況，若存在滲漏水嚴(yán)重、地層情況與勘察報(bào)告不符、土層較差時(shí)應(yīng)封閉掌子面，通知設(shè)計(jì)并修正設(shè)計(jì)參數(shù)后方可繼續(xù)施工。加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，切實(shí)做到洞內(nèi)與地面監(jiān)測(cè)同步并做到信息化施工。

5 結(jié)論

本文對(duì)施工方案及對(duì)比方案進(jìn)行了模擬計(jì)算，從得出的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總體得出結(jié)論，認(rèn)為柱洞法方案地表沉降小于中洞法和側(cè)洞法方案且滿足工程要求；結(jié)構(gòu)應(yīng)力也小于另2種施工方案；位移分布3種方案各有特點(diǎn)，但均在施工允許范圍之內(nèi)。綜合考慮各影響因素，模糊評(píng)判結(jié)果認(rèn)為，柱洞法施工方案更優(yōu)。

針對(duì)拱頂塌落和邊導(dǎo)洞拱腳應(yīng)力集中問題，施工時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)專項(xiàng)措施，做好超前支護(hù)和超前注漿加固，嚴(yán)格規(guī)范鎖腳錨桿施工并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工程各施工歩序支護(hù)應(yīng)力、變形及圍巖穩(wěn)定性，做到信息化設(shè)計(jì)和施工。

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