地鐵隧道開挖超前小導(dǎo)管預(yù)注漿參數(shù)對地表沉降的影響

王 輝，王 鵬，梁明純

(1.北京科技大學(xué) 土木工程系，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 城市地下空間工程北京市重點實驗室，北京 100083； 3.泛華建設(shè)集團有限公司，北京 100070)

地鐵隧道施工會破壞周圍地質(zhì)體原有的平衡，誘發(fā)應(yīng)力重分布，從而引起地層位移與地表不均勻沉降，這種現(xiàn)象在大斷面淺埋暗挖隧道施工中表現(xiàn)得尤為突出[1-4]。為保證隧道的安全施工，需對軟弱圍巖、自穩(wěn)能力差的隧道洞口或洞身段進行預(yù)支護。主要的預(yù)支護方法有：超前錨桿法[5]、冷凍法[6-7]、管棚法[8]、水平旋噴注漿法[9]、超前小導(dǎo)管注漿法[10]，其中超前小導(dǎo)管注漿法具有錨桿和棚架雙重作用，其經(jīng)濟性、靈活性和良好的加固效果使其在隧道穿越淺埋、軟弱地層等不良地段的施工過程中發(fā)揮了重要作用[11-12]。因此，確定合理的超前小導(dǎo)管預(yù)注漿參數(shù)，以增強超前小導(dǎo)管的支護效果，改善掌子面的受力情況，使隧道開挖過程中不同部位的地層應(yīng)力、位移等指標都減少至最小，對工程順利開展具有重要意義。

本文基于哈爾濱地鐵三號線湘江路站—會展中心站區(qū)間(湘—會區(qū)間)大斷面地鐵隧道暗挖段工程，采用FLAC 3D軟件獲得不同超前小導(dǎo)管預(yù)注漿參數(shù)下地鐵隧道開挖引起的地表沉降縱向和橫向分布規(guī)律。然后設(shè)計正交試驗，采用FLAC 3D對9組試驗方案進行模擬，以掌子面后方14 m處截面最大地表沉降和掌子面處地表沉降釋放率為評價指標，進一步分析不同超前小導(dǎo)管參數(shù)對地表沉降的影響程度，為后續(xù)類似地鐵隧道工程的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

哈爾濱地鐵三號線湘—會區(qū)間自湘江路站起，由南向北沿紅旗大街穿行至?xí)怪行恼局?，全長為721.633 m，采用淺埋暗挖法施工。隧道橫斷面位置關(guān)系如圖1所示。大斷面隧道段為長84 m、寬14.15 m、高10.62 m的馬蹄形隧道，隧道頂板埋深為10.90 m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。大斷面隧道段土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1，可見該段隧道范圍內(nèi)土體強度低，隧道在開挖過程中出現(xiàn)塑性破壞的可能性較大，因此需要使用超前小導(dǎo)管對隧道進行超前支護。

圖1 隧道橫斷面位置關(guān)系(單位：m)

表1 土層參數(shù)

2 隧道與小導(dǎo)管模型的建立

2.1 模型和邊界條件

根據(jù)工程經(jīng)驗與圣維南原理，本模型沿隧道開挖方向取84 m，水平方向取40 m，豎直方向取51 m，上邊緣取至地表。初期襯砌采用Liner結(jié)構(gòu)單元模擬，小導(dǎo)管采用Pile單元模擬，同一坐標的不同結(jié)構(gòu)單元節(jié)點采用Link單元剛性連接。

模型的左右邊界、前后邊界以及底面施加法向位移約束，上部取自由邊界。由于隧道本身和地質(zhì)條件的對稱性，隧道的受力基本上也是對稱的，為了簡化計算，利用FLAC 3D建立單側(cè)隧道模型，如圖2所示。

圖2 單側(cè)隧道模型

選取Mohr-Coulumb彈塑性模型進行數(shù)值分析，采用應(yīng)力釋放法模擬支護施加前產(chǎn)生的變形。根據(jù)設(shè)計，小導(dǎo)管管間距離按2倍導(dǎo)管直徑選取，縱向隨鋼支撐逐榀打設(shè)，每榀鋼支撐間距為1 m。小導(dǎo)管布置模型如圖3所示。模型開挖步長為1 m，開挖順序按照左右導(dǎo)洞對稱開挖考慮，具體為：①側(cè)面上導(dǎo)洞開挖；②側(cè)面上導(dǎo)洞開挖至7 m后側(cè)面下導(dǎo)洞開挖；③側(cè)導(dǎo)洞完成開挖后中上洞開挖；④中上洞開挖至7 m后中下洞開挖。

圖3 小導(dǎo)管布置模型

2.2 小導(dǎo)管與初期支護材料參數(shù)設(shè)置

超前小導(dǎo)管采用等效剛度的方法考慮，用慣性矩作為計算權(quán)重，初期支護與小導(dǎo)管材料的參數(shù)見表2。

表2 初期支護與小導(dǎo)管材料物理力學(xué)參數(shù)

3 小導(dǎo)管預(yù)注漿參數(shù)對地表沉降的影響

3.1 小導(dǎo)管預(yù)注漿參數(shù)設(shè)置

為了研究小導(dǎo)管沿開挖方向投影長度(簡稱投影長度)、注漿半徑及徑向加固范圍這3個參數(shù)對大斷面隧道開挖地表沉降的影響，假設(shè)以下3種工況進行數(shù)值模擬分析。

工況1：超前小導(dǎo)管注漿半徑和徑向加固范圍均為0.8 m，小導(dǎo)管投影長度分別為3，4，5 m。

工況2：超前小導(dǎo)管投影長度為4 m，徑向加固范圍為1.2 m，小導(dǎo)管注漿半徑分別為0.8，1.2，1.5 m。

工況3：超前小導(dǎo)管投影長度為4 m，注漿半徑為1.8 m，小導(dǎo)管徑向加固范圍分別為0.8，1.2，1.5 m。

超前小導(dǎo)管徑向加固范圍即為超前小導(dǎo)管沿徑向投影長度，其值應(yīng)與注漿半徑相等，但本工程采用超前小導(dǎo)管注漿和深孔注漿2種加固形式，因此，注漿半徑應(yīng)該大于徑向加固范圍。但如果注漿效果較差，則會出現(xiàn)注漿半徑小于徑向加固范圍的情況。

3.2 不同小導(dǎo)管預(yù)注漿參數(shù)下地表縱向沉降規(guī)律

根據(jù)以上3種工況模擬得到不同小導(dǎo)管預(yù)注漿參數(shù)下大斷面隧道側(cè)導(dǎo)洞與中洞開挖完成后的地表沉降縱向分布曲線，見圖4。

圖4 不同小導(dǎo)管參數(shù)下地表沉降縱向分布曲線

由圖4可知：

1)地鐵隧道開挖引起的地表沉降沿縱向呈倒S形分布，先期沉降集中發(fā)生于掌子面前方20 m內(nèi)，在掌子面前方10 m至掌子面區(qū)段迅速增大；掌子面后方約15 m后沉降速率開始變緩，到30 m后呈現(xiàn)緩慢變化趨勢。掌子面處地表沉降量約占總沉降量的1/2。

2)側(cè)導(dǎo)洞開挖完成時地表最大沉降位于掌子面后方35～40 m，中洞開挖完成時最大地表沉降位于掌子面后方8～10 m，之后表現(xiàn)為回彈趨勢。這是因為中洞開挖后下部土體重力荷載降低，隨后初期支護閉合成環(huán)，土體回彈帶動整條隧道上??；另外，數(shù)值模擬中Mohr-Coulumb模型的彈性模量設(shè)為定值也會增大回彈現(xiàn)象。此外，超前加固條件越好，回彈表現(xiàn)越明顯。

3)隨著小導(dǎo)管投影長度、注漿半徑及徑向加固范圍的增大，掌子面前方土體的沉降變化速率逐漸變緩，掌子面處地表沉降變小，占總沉降比例也逐漸減小。相比較而言，小導(dǎo)管投影長度影響最大。

3.3 不同小導(dǎo)管預(yù)注漿參數(shù)下地表橫向沉降規(guī)律

圖5 不同小導(dǎo)管參數(shù)下地表沉降橫向分布曲線

如圖4所示，中洞開挖完成時表現(xiàn)出的回彈趨勢與實際略有不符，所以，截取掌子面后方14 m處截面(此處縱向分布曲線尚未表現(xiàn)回彈趨勢或表現(xiàn)不明顯)得到不同小導(dǎo)管預(yù)注漿參數(shù)下大斷面隧道中洞開挖完成時的地表沉降橫向分布曲線，見圖5。

1)由圖5(a)可知，小導(dǎo)管投影長度分別為3，4，5 m 時對應(yīng)的掌子面后方14 m處截面的最大地表沉降分別為33.9，27.8，21.3 mm，沉降槽寬度分別為20，19，18 m。顯然增加小導(dǎo)管投影長度對控制最大地表沉降有明顯改善作用，并使沉降槽寬度減小。

2)隨著注漿半徑及徑向加固范圍的增大，最大地表沉降逐漸減小，同時沉降槽寬度略有減小，但相比增加小導(dǎo)管投影長度，增大注漿半徑及徑向加固范圍對控制地表沉降的改善效果不明顯。

4 基于正交試驗的多因素敏感性分析

4.1 影響因素及正交試驗設(shè)計

為了進一步確定地鐵隧道開挖時不同超前小導(dǎo)管預(yù)注漿參數(shù)對地表沉降的影響程度，選取小導(dǎo)管投影長度、注漿半徑和徑向加固范圍作為主要敏感因素，每個因素選取3個水平進行比較，見表3。

表3 敏感因素水平

在不考慮交互作用時，選用正交表L9(34)安排試驗組合，設(shè)計9組試驗方案，見表4。其中，方案6，8，9中，小導(dǎo)管徑向加固范圍小于注漿半徑，這與現(xiàn)場超前加固方法相對應(yīng)；而方案4，5，7中，小導(dǎo)管徑向加固范圍大于注漿半徑，可以對應(yīng)注漿效果較差的情況。

表4 試驗方案及結(jié)果

圖6 不同方案地表沉降橫向分布曲線

圖7 不同方案地表沉降縱向分布曲線

采用FLAC 3D對各組試驗方案進行模擬。正交試驗選取中洞開挖完成時掌子面后方14 m處截面地表沉降橫向分布曲線(見圖6)，獲得該截面地表最大沉降值(參見表4)。而為了規(guī)避中洞開挖模擬時明顯的回彈趨勢，選用導(dǎo)洞開挖完成時的地表沉降縱向分布曲線(見圖7)，計算掌子面處地表沉降釋放率(參見表4)。

4.2 試驗結(jié)果分析

4.2.1 極差分析

分別對掌子面后方14 m處截面最大地表沉降和掌子面處地表沉降釋放率結(jié)果進行極差分析，結(jié)果見表5?？梢钥闯?，小導(dǎo)管投影長度對掌子面后方14 m處截面最大地表沉降和掌子面處沉降釋放率影響最大，其次是注漿半徑，而徑向加固范圍的影響最小。

表5 極差分析結(jié)果

注：Rj為第j個因素各水平的綜合平均值的極差，j=(A,B,C)。

4.2.2 方差分析

為了確定試驗結(jié)果差異來自于不同敏感因素的相應(yīng)水平還是來自試驗誤差，取顯著水平α=0.1，對掌子面后方14 m處截面最大地表沉降和掌子面處地表沉降釋放率進行方差分析，結(jié)果見表6。

表6 方差分析結(jié)果

由表6可知，小導(dǎo)管投影長度和注漿半徑對掌子面后方14 m處截面最大地表沉降影響顯著；小導(dǎo)管徑向加固范圍方差大于誤差，但F值小于臨界值，因此對最大地表沉降有影響但不顯著。小導(dǎo)管投影長度對掌子面處地表沉降釋放率影響顯著；注漿半徑方差大于誤差，但F值小于臨界值，因此注漿半徑對掌子面處地表沉降釋放率有影響但不顯著；小導(dǎo)管徑向加固范圍方差等于誤差，可視為誤差。

5 結(jié)論

1)以哈爾濱地鐵三號線湘—會區(qū)間為實例，采用FLAC 3D模擬得出不同的超前小導(dǎo)管預(yù)注漿參數(shù)下地表沉降縱向和橫向分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)改善小導(dǎo)管投影長度、注漿半徑及徑向加固范圍可以有效地減小地表最大沉降量。

2)通過設(shè)計正交試驗，以掌子面后方14 m處截面最大地表沉降和掌子面處地表沉降釋放率為評價指標，通過極差分析和方差分析得出：小導(dǎo)管沿開挖方向投影長度對地表沉降的影響最為顯著，其次是注漿半徑，而徑向加固范圍的影響最小。