青島地鐵穿河隧道施工方案優(yōu)化研究

王渭明，曹正龍，李 強(qiáng)

（山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590）

1 研究背景

當(dāng)前城市地鐵的建設(shè)已進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，2009年8月，《青島市城市快速軌道交通建設(shè)規(guī)劃》已獲得國(guó)家批準(zhǔn)。規(guī)劃中的青島地鐵環(huán)海灣線區(qū)間隧道需穿越多條河流，地鐵隧道上覆巖土體水壓較大，甚至有較厚淤泥層的存在，隧道開(kāi)挖改變了原有滲流條件，貿(mào)然揭示不良地質(zhì)極易出現(xiàn)突水、突泥等事故［1］。目前關(guān)于隧道穿越河道施工技術(shù)多具有針對(duì)性，很難得到全面具體的理論指導(dǎo)。德國(guó)的H.Proetel［2］在20世紀(jì)50年代就對(duì)水下隧道的設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行了研究；王夢(mèng)?。?］根據(jù)水下交通隧道的特點(diǎn)，總結(jié)了幾點(diǎn)水下隧道施工的關(guān)鍵技術(shù)；李奎等［4］對(duì)北京地鐵5號(hào)線的過(guò)河區(qū)間隧道的4種超前支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化了穿河隧道施工技術(shù)。

上述研究對(duì)本文研究有重要指導(dǎo)意義，針對(duì)圍巖條件較差、水壓較大的隧道開(kāi)挖，其有效方法就是“多分步、短進(jìn)尺、快支撐”，雖控制了圍巖變形，但步序復(fù)雜、施工速度慢，很難達(dá)到快速通過(guò)不良區(qū)段的目的。尤其當(dāng)河道下方有砂土層以及黏性土層時(shí)，更應(yīng)注意隧道開(kāi)挖對(duì)上部圍巖或覆土造成擾動(dòng)。本文對(duì)青島地鐵2號(hào)線棗—李區(qū)間隧道穿越李村河段的施工方案進(jìn)行了優(yōu)化研究，得到優(yōu)化后的施工方案，能保證隧道安全快速通過(guò)穿河區(qū)段。

2 工程概況

青島地鐵2號(hào)線棗山路站—李村站始于308國(guó)道西側(cè)，根據(jù)勘探資料顯示，區(qū)間隧道YSK47+790至YSK47+870段下穿李村河，地下水動(dòng)態(tài)基本處于自然狀態(tài)。李村河發(fā)源于嶗山，自東向西流入膠州灣，水量受降水制約，季節(jié)性變化較明顯，地下水位年變化幅度約2 m。河寬38 m，經(jīng)治理，部分河床硬化，剩余部分留作河道。區(qū)間隧道與李村河的地理位置及地質(zhì)情況如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道位置及地層示意圖Fig.1 Details of tunnel location and stratum

由圖1中顯示，在李村河道下方，有粗礫砂層和砂土層，透水性較好，隧道掘進(jìn)過(guò)程中貿(mào)然揭示含水層極易造成地下水流動(dòng)，地表沉陷。該段隧道坡度2.87%，位于強(qiáng)風(fēng)化巖與中風(fēng)化巖交接處。強(qiáng)風(fēng)化巖上方是滲透性較差的含砂粉質(zhì)黏土層，可作為天然隔水層，能夠阻斷上部河水大量流入新開(kāi)挖的隧道。

3 方案選取

從施工速度和對(duì)地面的影響分析，采用TBM法施工較為合理，但是TBM施工造價(jià)太高，且對(duì)多變的地質(zhì)條件適應(yīng)性較差［5］。故穿越李村河段區(qū)間隧道仍采用礦山法中最普通的臺(tái)階法施工，預(yù)留核心土，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，單洞單線馬蹄形斷面，全包防水。由于拱頂以上為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，自穩(wěn)性較差，難于形成自然拱。洞頂上方有厚砂土層，應(yīng)嚴(yán)格控制開(kāi)挖影響區(qū)發(fā)展，防止其穿過(guò)強(qiáng)風(fēng)化巖層進(jìn)入含砂粉質(zhì)黏土層，破壞其天然的隔水作用，故應(yīng)嚴(yán)格控制爆破藥量，禁止超挖，防止擾動(dòng)上部粉質(zhì)黏土層產(chǎn)生液化現(xiàn)象。不可在隧道上方打設(shè)超長(zhǎng)錨桿或錨索，防止錨孔穿入滯水層，引起地下水流動(dòng)。由于隧道位于河道下方，水壓較大，地下水滲流會(huì)引起強(qiáng)風(fēng)化巖破碎帶的崩解，可在隧道周?chē)┳髯{圈控制水壓，以減少隧道的涌水量［6］。

支護(hù)方案采用超前小導(dǎo)管注漿，初期支護(hù)用格柵拱架結(jié)合掛網(wǎng)噴砼支護(hù)，拱腳打設(shè)Φ42 mm鎖腳錨管。二次襯砌采用自防水的C45鋼筋混凝土300 mm。采取光面微差弱拋爆破，并選用防水效果好的乳化炸藥。其斷面尺寸及襯砌結(jié)構(gòu)如圖2，底板襯砌中間有70 mm素混凝土配合防水保護(hù)層。

圖2 隧道斷面襯砌結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Tunnel size and its lining structure

由于施工選在雨水量較少的春季，未對(duì)李村河采取截水措施，根據(jù)該處地質(zhì)條件及現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備，擬定最短時(shí)間內(nèi)取得最大安全進(jìn)尺，保證安全快速通過(guò)該段。超前小導(dǎo)管注漿后，進(jìn)行爆破進(jìn)尺并及時(shí)進(jìn)行初支，循環(huán)進(jìn)尺一段距離后做二次襯砌，其施工進(jìn)度如圖3所示。

圖3 隧道施工步驟圖Fig.3 Steps of tunnel constr uction

根據(jù)《鐵路隧道安全施工技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定：一次開(kāi)挖循環(huán)不超過(guò)1.5 m［7］?？紤]到施工機(jī)械的限制和爆破振動(dòng)影響，從安全和施工速度2方面對(duì)循環(huán)進(jìn)尺量和上下臺(tái)階長(zhǎng)度選取不同參數(shù)，初步形成5種進(jìn)尺和支護(hù)方案。

方案1：每循環(huán)進(jìn)尺0.5 m，6個(gè)循環(huán)做一次二次襯砌，a＝15 m，b＝10 m；

方案2：每循環(huán)進(jìn)尺0.5 m，6個(gè)循環(huán)做一次二次襯砌，a＝8 m，b＝8 m；

方案3：每循環(huán)進(jìn)尺1 m，3個(gè)循環(huán)做一次二次襯砌，a＝8 m，b＝8 m；

方案4：每循環(huán)進(jìn)尺1 m，6個(gè)循環(huán)做一次二次襯砌，a＝10 m，b＝8 m；

方案5：每循環(huán)進(jìn)尺1.5 m，4個(gè)循環(huán)做一次二次襯砌，a＝10 m，b＝8 m。

4 各方案的數(shù)值模擬分析

如圖1中所顯示，隧道位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中，透水性較好，但風(fēng)化帶上方有一層粉質(zhì)黏土層，可作為天然的隔水層，地下水豎向滲流較慢，為隧道開(kāi)挖提供了保障，減小了襯砌外水壓。新近地質(zhì)時(shí)期形成的黏性土靈敏度較高，一旦微結(jié)構(gòu)被破壞，其強(qiáng)度明顯降低，超空隙水壓力消散，地下水發(fā)生豎向流動(dòng)。因此隧道開(kāi)挖不能影響上部粉質(zhì)黏土層的天然隔水作用，否則易引起隧道突水、突泥事故，威脅工程安全。

為掌握下穿隧道上覆巖層變形和塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律，控制塑性區(qū)的發(fā)展范圍，保護(hù)隔水層的隔水效果，為安全施工提供技術(shù)指導(dǎo)，對(duì)5種方案進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。本工程的2條隧道中心線間距13.5 m，對(duì)稱截取左半邊為數(shù)值分析模型，其邊界各取約3倍洞徑長(zhǎng)度，沿軸線長(zhǎng)53 m。對(duì)稱面上設(shè)為豎向約束，襯砌為不透水彈塑性結(jié)構(gòu)，在臺(tái)階上施加5 k Pa的均布荷載，數(shù)值分析網(wǎng)格如圖4所示。計(jì)算中所用到的隧道圍巖及襯砌基本物理力學(xué)參數(shù)列于表1中。

圖4 數(shù)值模擬網(wǎng)格Fig.4 Grids of numerical si mulation

地下工程的開(kāi)挖注重時(shí)空效應(yīng)，既要釋放部分應(yīng)力，又要控制住變形［8］。單次進(jìn)尺量及循環(huán)次數(shù)不同，則圍巖暴露時(shí)間不同，圍巖變形及應(yīng)力釋放的比例不同。通過(guò)對(duì)上述5種方案的數(shù)值分析，針對(duì)該段地質(zhì)條件，選取合適的進(jìn)尺量及有利的臺(tái)階長(zhǎng)度，5種方案的圍巖總變形云圖如圖5所示。云圖中隧道上方的橫線為不同土層的分割線，即圖4中不同顏色的分界線。由圖5可見(jiàn)，各方案拱頂圍巖沉降呈拋物線形，最大沉降值發(fā)生在拱頂正上方。圖中顯示圍巖變形向右側(cè)對(duì)稱面發(fā)展，疊合右側(cè)隧道的開(kāi)挖，會(huì)進(jìn)一步增加變形量，故兩條隧道前后間隔30 m施工有利于增加圍巖穩(wěn)定性。

圖5中顯示底板變形左右對(duì)稱，由于底板位于中風(fēng)化巖層中，相對(duì)頂板變形較小。隧道兩幫由于上臺(tái)階開(kāi)挖后施工鎖腳錨桿作用，洞周收斂得到了很好的控制，由于在上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)預(yù)留核心土，減少了隧洞拱腳及兩幫處圍巖變形［9］。

為判斷隧道開(kāi)挖變形是否超過(guò)預(yù)警值，將關(guān)鍵位置最大變形量列于表2中。

表1 土（巖）層及襯砌物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of the soil（rock）and liner

圖5 各方案沉降變形云圖Fig.5 Nephogram of displacement in each scheme

表2 各方案關(guān)鍵位置變形Table 2 Defor mations in key positions of each scheme mm

由前2種方案的沉降曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相同的循環(huán)進(jìn)尺，臺(tái)階長(zhǎng)度越長(zhǎng)，二次襯砌落后掌子面越遠(yuǎn)，沉降、底鼓越大。方案1比方案2的拱頂沉降值高24%；底板隆起值高38%。開(kāi)挖未支護(hù)的臨空段越長(zhǎng)，則頂板和底板受力結(jié)構(gòu)的撓度越大。故應(yīng)盡量減小臺(tái)階長(zhǎng)度，但臺(tái)階太短會(huì)造成施工空間不足，周轉(zhuǎn)不便，影響整體速度。且短臺(tái)階在軟弱地層中由于上部破裂面可能會(huì)與下臺(tái)階開(kāi)挖引起的破裂面貫通，引起開(kāi)挖隧道的工作面失穩(wěn)［10］。

由前3種方案的對(duì)比，同樣進(jìn)尺3 m做一次二次襯砌，但方案3減少循環(huán)步，開(kāi)挖速度較快，能更及時(shí)的封閉襯砌結(jié)構(gòu)，故而產(chǎn)生的變形量并未因單次進(jìn)尺量的增加而引起較大的圍巖變形，甚至方案1的底鼓量超過(guò)方案3。由此也得出及時(shí)封閉襯砌能控制圍巖變形，僅通過(guò)前期支護(hù)很難讓圍巖變形進(jìn)入收斂階段［11］。

通過(guò)方案3、方案4的圍巖變形對(duì)比，相同的單次進(jìn)尺量，不同的循環(huán)次數(shù)，引起的位移量不同也是因?yàn)橐r砌封閉時(shí)間不同，圍巖變形進(jìn)入收斂段產(chǎn)生的位移量不同。但是由于循環(huán)次數(shù)的不同，方案4的施工速度會(huì)增加，并且節(jié)約了工作量。

表2中數(shù)據(jù)顯示第5種方案的拱頂沉降值超過(guò)報(bào)警值的90%，底板隆起量超過(guò)報(bào)警值的73%，且一次性進(jìn)尺1.5 m造成的爆破振動(dòng)較大，可能擾動(dòng)上部黏性土層［12］，故從安全方面考慮排除此方案。如采取此種進(jìn)尺方案，須改變支護(hù)方式，可采用超前管棚支護(hù)或加設(shè)錨桿，但同時(shí)卻延緩了施工進(jìn)度，增加了工程量。

擠出位移為掌子面擠向洞內(nèi)方向的水平位移，根據(jù)5種方案的擠出位移量可以看出，掌子面擠向洞內(nèi)位移隨著單次爆破量的增加而增大，如圖6所示，單次爆破越深，其開(kāi)挖未支護(hù)的臨空面越大，塑性區(qū)越大，由于應(yīng)力釋放較大，造成的擠出位移也越大。

圖6 方案1、方案3、方案5擠出位移云圖Fig.6 Nephogram of extrusion displacement in scheme 1，3，5

為更直觀地看出每一開(kāi)挖步造成的拱頂沉降量，將5種不同方案施工造成隧道拱頂沉降隨施工步的變化曲線列于圖7中。

由圖7看出，方案4、方案5進(jìn)尺6 m以后施做二次襯砌，拱頂沉降明顯大于前3種方案，不僅是因?yàn)榭臻g上形成較大臨空面，還與支護(hù)落后時(shí)間有一定關(guān)系。拱頂沉降基本都是在支護(hù)前完成的，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)施作完成后，拱頂變形趨于穩(wěn)定，由于下一步的開(kāi)挖又造成了新的位移，二次襯砌后，圍巖變形逐步趨于穩(wěn)定。

綜上所述，第4種施工方案較為合理，既能將圍巖變形控制在預(yù)警值內(nèi)，又有較快的進(jìn)尺速度?，F(xiàn)考察各方案的隔水層封水效果，分析其開(kāi)挖引起的塑性區(qū)發(fā)展范圍，如圖8所示。

圖7 各方案拱頂沉降曲線Fig.7 Curves of arch top subsidence in each scheme

圖8 各方案開(kāi)挖引起的塑性區(qū)Fig.8 Plastic zone caused by excavation in each scheme

從圖8中可以看出，5種方案施工引起的塑性區(qū)發(fā)展均未超過(guò)風(fēng)化巖的頂部，意味著隧道開(kāi)挖對(duì)含砂粉質(zhì)黏土層的擾動(dòng)較小，隧道開(kāi)挖不會(huì)破壞隔水層。從圖8中還可以看出方案5施工的隧洞周?chē)呀?jīng)出現(xiàn)了明顯的松動(dòng)區(qū)，一次性進(jìn)尺1.5 m，支護(hù)不及時(shí)，造成圍巖釋放壓力較多，不利于隧道圍巖穩(wěn)定，因此方案5不予采用。方案4開(kāi)挖引起的松動(dòng)區(qū)較小，開(kāi)挖后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，保證圍巖壓力得到釋放，又控制變形在預(yù)警值內(nèi)，塑性區(qū)距離粉質(zhì)黏土層1 m左右。

考慮到方案4施工有一定的安全儲(chǔ)備，通過(guò)和方案5的對(duì)比，單次循環(huán)進(jìn)尺量不可更改。為利于施工機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)動(dòng)方便，可適當(dāng)增加臺(tái)階長(zhǎng)度。故在方案4的基礎(chǔ)上取上臺(tái)階長(zhǎng)度a分別為12，14，16 m，得到的拱頂沉降值、兩幫收斂值以及底板隆起值如表3所示。

表3 方案4中不同臺(tái)階長(zhǎng)度引起變形量Table 3 Def or mations caused by different step-lengths in scheme 4 mm

從表3中可以看出，隨著臺(tái)階長(zhǎng)度的增加，圍巖變形量也相應(yīng)增加。當(dāng)上臺(tái)階長(zhǎng)度a＝16 m時(shí)，兩幫收斂和底板隆起明顯增大，而拱頂沉降已經(jīng)超過(guò)預(yù)警值，極有可能破壞上部粉質(zhì)黏土層的隔水作用。從塑性區(qū)發(fā)展察看隔水層的封水效果，將3種臺(tái)階長(zhǎng)度施工時(shí)引起的塑性區(qū)列于圖9中。

圖9 方案4中不同臺(tái)階長(zhǎng)度下的塑性區(qū)Fig.9 Nephogram of plastic zone in the presence of different step-lengths in scheme 4

從圖9中看出，每循環(huán)進(jìn)尺1 m，6個(gè)循環(huán)做一次二次襯砌，當(dāng)上臺(tái)階長(zhǎng)度a＝14 m時(shí)，開(kāi)挖引起的塑性區(qū)接近粉質(zhì)黏土層，當(dāng)a＝16 m時(shí)，圍巖變形值較大，洞周松動(dòng)區(qū)明顯增大，塑性區(qū)穿過(guò)粉質(zhì)黏土層向滯水層發(fā)展，當(dāng)粉質(zhì)黏土進(jìn)入塑性狀態(tài)，極有可能破壞其承壓結(jié)構(gòu)，引起砂層中的地下水流入隧道中，增大襯砌水壓和透水量［13］，造成較大圍巖變形和施工困難，甚至引起工程事故。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）針對(duì)青島地鐵下穿李村河工程段選定優(yōu)化施工方案應(yīng)為：每循環(huán)進(jìn)尺1 m，6個(gè)循環(huán)做一次襯砌，上臺(tái)階長(zhǎng)度不超過(guò)14 m，下臺(tái)階長(zhǎng)度為8 m。既能將圍巖變形控制在報(bào)警值內(nèi)，塑性區(qū)發(fā)展較小，且施工進(jìn)度快，節(jié)約了工程量。

（2）不同的臺(tái)階長(zhǎng)度和循環(huán)進(jìn)尺量對(duì)圍巖變形有較大影響。利用臺(tái)階法施工達(dá)到安全快速的目的，循環(huán)進(jìn)尺量和臺(tái)階長(zhǎng)度須取一個(gè)合理值。①增大單次進(jìn)尺量可加快施工進(jìn)度，同時(shí)增大了圍巖變形；②增大臺(tái)階長(zhǎng)度利于機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)動(dòng)速度，同時(shí)增大了圍巖塑性區(qū)和松動(dòng)區(qū)范圍，不利于圍巖穩(wěn)定。（3）當(dāng)隧道穿越河道或地下水位較高，且有黏性土層等作為承壓水層時(shí)，開(kāi)挖過(guò)程中需重點(diǎn)控制隧道開(kāi)挖對(duì)隔水層的影響，約束塑性區(qū)發(fā)展，在確保天然隔水效果的前提下，提高施工速度，確保隧道安全、快速完成。

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