人工填土層中四連拱暗挖隧道設(shè)計

孟 偉，葉 銘

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津 300133)

0 引言

目前，國內(nèi)在建地鐵的城市已有37個，淺埋暗挖法因其對環(huán)境影響小、靈活多變、適應(yīng)性強等特點，在城市地鐵工程中應(yīng)用越來越廣泛，特別是在渡線、漸變段等不規(guī)則結(jié)構(gòu)中，暗挖連拱隧道往往為不二之選。

我國在地鐵暗挖連拱隧道的設(shè)計施工中總結(jié)了很多經(jīng)驗，但主要集中在對雙連拱和三連拱隧道的設(shè)計施工方面［1－2］。文獻［3］和文獻［4］主要從施工技術(shù)方面對地鐵雙連拱和三連拱結(jié)構(gòu)施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)進行探討;文獻［5］從設(shè)計方案對地鐵雙連拱中隔墻設(shè)計、導(dǎo)洞設(shè)計等方面進行研究。針對四連拱隧道的研究，主要集中在深埋巖層的公路隧道。文獻［6］對象山隧道四連拱結(jié)構(gòu)拓寬改造工程對新舊結(jié)構(gòu)的連接、支護結(jié)構(gòu)的受力平衡、結(jié)構(gòu)拆除和既有結(jié)構(gòu)的病害整治等關(guān)鍵技術(shù)問題進行論述;文獻［7］分析了終南山公路隧道通風井工程風道系統(tǒng)四連拱隧道的施工工況，得出圍巖應(yīng)力、位移等規(guī)律;文獻［8］論述了宏梯關(guān)隧道輔助通風巷道地下風機房四連拱隧道的設(shè)計要點及施工方法;但在第四系松散土層中修建地鐵工程，僅有文獻［9］對哈爾濱地鐵一號線哈—農(nóng)區(qū)間四連拱段開挖、襯砌等施工技術(shù)進行了介紹。

本文以北京地鐵某停車線四連拱隧道的設(shè)計方案為例，對人工填土層中四連拱隧道的支護體系受力、地面沉降、風險控制、施工工期等方面進行研究，最終推薦“側(cè)洞法”施工，并在施工中取得成功。

1 工程概況

本工程位于某火車站站前集散廣場下方，地理位置重要，人流密度大，其地下市政管線密集，采用暗挖法施工。隧道結(jié)構(gòu)長26 m、寬23.134 m、高7.1 m，覆土約10.55 m，暗挖隧道一端是明挖基坑，另一端為已建成的隧道結(jié)構(gòu)。隧道處于約17 m厚的雜填土和粉土填土層中，如圖1和圖2所示。隧道上方熱力管為暗挖法施工，復(fù)合式襯砌，壁厚0.5 m。

圖1 隧道平面圖(單位:m)Fig.1 Plan of tunnel(m)

圖2 地質(zhì)斷面圖(單位:mm)Fig.2 Profile of geological conditions(mm)

2 工程重難點分析

1)隧道結(jié)構(gòu)位于約17 m厚的雜填土和粉土填土層中?？辈靾蟾娼沂荆摬课蝗斯ぬ钔翆雍穸容^大，且成分雜亂，土質(zhì)疏松，穩(wěn)定性差，無法形成自然應(yīng)力拱，易發(fā)生塌落現(xiàn)象。

2)四連拱隧道施工工序復(fù)雜，可采用的施工工序繁多，需進行系統(tǒng)的分析比較，從安全、工期、造價等方面選擇適合本工程的最優(yōu)施工工序。

3)多跨隧道間施工相互影響很大，主要體現(xiàn)在對地層的擾動，中隔墻的水平位移難以控制。

4)四連拱隧道較寬，豎向土壓力為全土柱壓力，對初期支護結(jié)構(gòu)承載力要求很高，因此，需盡早澆筑二次襯砌并封閉成環(huán)，減小初期支護的承載風險。

3 方案設(shè)計

3.1 設(shè)計思路及支護參數(shù)

本隧道結(jié)構(gòu)位于人工填土層內(nèi)，土體成拱效應(yīng)差，且易坍塌，其設(shè)計思路主要為:

1)限制隧道一次開挖寬度，可通過“導(dǎo)洞法”或“CRD法”，變“大洞”為“小洞”。

2)采用防坍塌較為有效的大管棚作為拱頂?shù)闹饕ёo手段，并間插小導(dǎo)管注漿，對拱部土體進行超前預(yù)加固處理，起到加固地層并減小地層沉降的作用。

3)采用剛度較大的初期支護，控制支護體系變形，從而減小地層變形。與土層接觸的初期支護采用350 mm厚的C20格柵鋼架噴混凝土支護，臨時支護采用剛度較大的工字鋼噴混凝土支護。

4)人工填土層自穩(wěn)性較差，在暗挖施工時需降低臺階高度，及早封閉成環(huán)。

隧道支護參數(shù)見表1。

表1 隧道支護參數(shù)Table 1 Supporting parameters

3.2 施工工序分析

根據(jù)變“大洞”為“小洞”的理念，各種工法施工工序見圖3—5。

3.2.1 方案 1

采用導(dǎo)洞+側(cè)洞法施工。其主要思路為:先施工兩側(cè)導(dǎo)洞，澆筑中隔墻，形成豎向支撐;然后施工邊拱初期支護及二次襯砌，形成“側(cè)洞”;最后施工中間導(dǎo)洞、導(dǎo)洞隔墻和中拱扣拱。

圖3 方案1施工工序Fig.3 Construction sequence:Case I

3.2.2 方案 2

采用導(dǎo)洞法施工。其主要思路為:先將初期支護全部開挖完成，然后再分步施工二次襯砌結(jié)構(gòu)。導(dǎo)洞順序為先中間導(dǎo)洞后兩邊導(dǎo)洞，初期支護扣拱順序為先中拱后邊拱，二次襯砌扣拱順序為先邊拱后中拱。

3.2.3 方案 3

采用側(cè)洞法施工。其主要思路為:摒棄導(dǎo)洞，先施工邊洞，澆筑邊洞二次襯砌，形成穩(wěn)定封閉的“側(cè)洞”結(jié)構(gòu)，再依次施工中間洞室的初期支護和二次襯砌。

3.3 有限元計算與分析

3.3.1 計算模型及計算參數(shù)

為比較各方案對地層擾動的大小，需對隧道開挖引起的變形進行分析。計算采用MIDAS/GTS仿真分析軟件，考慮圍巖與結(jié)構(gòu)的共同作用和分步施工過程。計算模型左右水平計算范圍均取結(jié)構(gòu)跨度的2倍以上，垂直計算范圍向上取至自由地表，向下取隧道高度的3倍。隧道圍巖本構(gòu)模型采用摩爾－庫侖模型，考慮圍巖的非線性變形。主體結(jié)構(gòu)采用彈塑性各向同性的直梁材料模擬，超前管棚和小導(dǎo)管按照注漿體參數(shù)模擬。圍巖和支護參數(shù)取值見表2和表3。

圖5 方案3施工工序Fig.5 Construction sequence:CaseⅢ

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

采用分步開挖，每步開挖后及時進行支護，施工計算步驟嚴格按照隧道施工順序進行。計算時首先計算原始地應(yīng)力，巖土體的開挖是在前一計算步驟所得地應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上進行的。根據(jù)結(jié)構(gòu)整體剛度的改變，按實際開挖方法施加地層釋放荷載，并求解開挖后的應(yīng)力場。

表3 支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of supporting structure

3.3.2 計算結(jié)果與分析

對3個模型分別進行計算，隧道施工完成后的豎向位移云圖如圖6所示(本文僅給出推薦方案的豎向位移云圖)，并提取各方案的沉降數(shù)據(jù)，得到如圖7所示的沉降曲線和如表4所示的各方案地表沉降值。為評估回填土中大跨度隧道初期支護的安全性，提取各方案初期支護的最大彎矩圖，如圖8—10所示。

圖6 施工完成后地層豎向位移云圖(單位:m)Fig.6 Contour of vertical displacement of strata after the completion of the tunnel(m)

圖7 各方案地表沉降計算結(jié)果曲線圖Fig.7 Curves of ground surface settlement calculated under different cases

表4 各方案地表沉降值Table 4 Ground surface settlement calculated under different cases m

地層變形計算結(jié)果顯示，在采取管棚、導(dǎo)管超前注漿的條件下，3個方案對地層影響差別最大為12 mm，且沉降槽形狀略有不同，但均滿足對地面沉降的保護要求。

圖8 方案1初期支護彎矩圖(單位:kN·m)Fig.8 Bending moment of primary support in Case I(kN·m)

圖9 方案2初期支護彎矩圖(單位:kN·m)Fig.9 Bending moment of primary support in CaseⅡ (kN·m)

圖10 方案3初期支護彎矩圖(單位:kN·m)Fig.10 Bending moment of primary support in CaseⅢ(kN·m)

初期支護受力計算結(jié)果顯示:方案1初期支護受力最大為邊洞開挖完成狀態(tài)，最大彎矩為507 kN·m，最大彎矩發(fā)生在邊拱與導(dǎo)洞連接位置，由于導(dǎo)洞內(nèi)已完成中隔墻二次襯砌，對導(dǎo)洞影響較小;方案2初期支護受力最大為邊洞開挖完成狀態(tài)，最大彎矩為410 kN·m，最大彎矩發(fā)生在邊拱與導(dǎo)洞連接位置，對導(dǎo)洞影響較小;方案3初期支護受力最大為邊洞開挖完成狀態(tài)，最大彎矩為299 kN·m，最大彎矩發(fā)生在邊洞豎向隔墻位置。方案3的最大彎矩明顯小于方案1和方案2。

3.4 方案比較與確定

1)根據(jù)有限元計算結(jié)果，在采取管棚和導(dǎo)管超前注漿的條件下，3個方案的地面最大沉降值為43，55，52 mm，且沉降槽形狀略有不同;但是由于本隧道上方僅有熱力管溝，無其他敏感建筑物。因此，3個方案均能滿足對地面沉降的保護要求。

2)中隔墻的設(shè)計。在連拱隧道中，中隔墻由于受到不均衡水平推力而產(chǎn)生的水平位移很難解決，本設(shè)計中，方案1和方案2的中隔墻在施工期間均產(chǎn)生約10 mm的水平位移，而方案3可以使二次襯砌及早封閉成環(huán)，能有效避免中隔墻水平位移的問題。

3)由于隧道結(jié)構(gòu)寬度23.134 m，而覆土僅10.55 m，且隧道覆土為人工填土層，成拱效應(yīng)差，初期支護結(jié)構(gòu)受力較大，方案3初期支護結(jié)構(gòu)最大彎矩較方案1和方案2明顯減小，且方案3能及時澆筑二次襯砌并封閉成環(huán)，確保結(jié)構(gòu)安全。

4)方案3比方案1節(jié)約15%的工期，初期支護工程量減少18%。

根據(jù)以上比較結(jié)果，本工程推薦方案3為最優(yōu)方案。

3.5 現(xiàn)場施工信息反饋

本工程于2011年7月底完工，施工期間未發(fā)生沉降超標及其他工程事故。施工過程中反饋的監(jiān)測數(shù)據(jù)基本與理論分析相吻合，驗證了設(shè)計方案的安全性及可靠性。第三方監(jiān)測布點及監(jiān)測結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 沉降測點布置圖Fig.11 Layout of settlement monitoring points

1)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，隧道中心位置地面最大沉降值為42 mm，未達到黃色預(yù)警標準(設(shè)計給定地面最大沉降為60 mm，熱力管道傾斜率≤0.002)。

2)在邊洞二次襯砌封閉成環(huán)后，再開挖中間部分土體，對已完成隧道影響較小。

3)連拱處V字節(jié)點位置易發(fā)生滲漏，施工過程中應(yīng)做好防水層的保護和搭接，施工完成后再針對漏水點進行注漿封堵，可滿足隧道防水要求。

圖12 沉降典型測點時程曲線圖(2010—2011年)Fig.12 Time-dependent curves of settlement measured at typical monitoring points(from 2010 to 2011)

4 結(jié)論與體會

1)人工回填土層土質(zhì)疏松，易坍塌，應(yīng)選擇剛度較大的管棚作為防塌方的措施，對于沉降控制要求更為嚴格的地段可采用管幕法。

2)采用“導(dǎo)洞法”先施工導(dǎo)洞的初期支護及二次襯砌，能及時形成豎向的剛性支撐，對控制沉降非常有利;但由于工序復(fù)雜，整體工期偏長，當工期允許時可采用。

3)采用“側(cè)洞法”能有效地避免中隔墻的穩(wěn)定問題，控制沉降較好。當側(cè)洞寬度較大時，推薦采用“CRD”法開挖。

4)連拱隧道寬度較大，當隧道淺埋時覆土很難成拱，因此，需步步為營，導(dǎo)洞開挖完成后及時施作二次襯砌，避免初期支護受力較大而產(chǎn)生風險。

5)連拱隧道多步開挖對周邊土體擾動較大，特別是結(jié)構(gòu)中部中隔墻上方的土體有著明顯的塑性區(qū)，因此，需加強對此處土體的加固。

［1］ 王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論［M］.合肥:安徽教育出版社，2004.(WANG Mengshu.The general theory of shallow excavation technology of underground engineering［M］.Hefei:Anhui Education Press，2004.(in Chinese))

［2］ 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2010.(WANG Mengshu.Tunnelling and underground engineering technology in China［M］.Beijing:China Communications Press，2010.(in Chinese))

［3］ 黃章君.城市地鐵雙聯(lián)拱暗挖隧道偏洞法施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2011，31(2):68 － 72.(HUANG Zhangjun.Asymmetric construction technology of double arch tunnel in the subway［J］.Tunnel Construction，2011，31(2):68 －72.(in Chinese))

［4］ 楊世武，韓占波.北京地鐵熊貓環(huán)島聯(lián)絡(luò)線三聯(lián)拱隧道施工技術(shù)研究［J］.隧道建設(shè)，2007，27(S2):332 －336.(YANG Shiwu，HAN Zhanbo.Study on construction technology of a 3-arch tunnel on Xiongmaohuandao link line in Beijing Metro［J］.Tunnel Construction，2007，27(S2):332 －336.(in Chinese))

［5］ 楊德春，唐琪.雙連拱隧道結(jié)構(gòu)在地鐵折返段應(yīng)用與計算分析［J］.隧道建設(shè)，2007，27(S2):268 －272.(YANG Dechun，TANG Qi.Application and calculation of double arch tunnel in the subway reentry［J］.Tunnel Construction，2007，27(S2):268 －272.(in Chinese))

［6］ 陳七林.四連拱隧道拓寬改造關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.中外公路，2014(1):254 － 259.(CHEN Qilin.Research on the key technology of four arch tunnel widening reconstruction［J］.Journal of China＆ Foreign Highway，2014(1):254 －259.(in Chinese))

［7］ 劉寶許，趙超志，高崇林.大跨距漸變四連拱隧道施工力學(xué)效應(yīng)數(shù)值模擬研究［J］.鐵道建筑，2009(12):38－41.(LIU Baoxu，ZHAO Chaozhi，GAO Chonglin.Numerical simulation study on mechanicaleffectoftunnelwith changeable large span four continuous arch［J］.Railway Engineering，2009(12):38 －41.(in Chinese))

［8］ 楊秀文.地下風機房與風道交叉口段四連拱隧道施工技術(shù)［J］.山西建筑，2014，40(4):177 － 178.(YANG Xiuwen.The construction technology of four arch tunnel of underground fan room and air duct crossing section［J］.Shanxi Architecture，2014，40(4):177 － 178. (in Chinese))

［9］ 周興權(quán).寒區(qū)淺埋軟塑粘土地層四聯(lián)拱地鐵隧道施工控制技術(shù)［J］.城市建設(shè)理論研究，2013(13):1 －6.(ZHOU Xingquan.Construction control technology of four arched subway shallow tunnel in soft plastic clay stratum［J］.Theoretical Study on Construction of City，2013(13):1 －6.(in Chinese))