淺埋超大斷面暗挖隧道施工方法及支護(hù)力學(xué)特征

李訊，何川，耿萍，丁建隆

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淺埋超大斷面暗挖隧道施工方法及支護(hù)力學(xué)特征

李訊1，何川1，耿萍1，丁建隆2

(1. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都，610031；2. 廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州，510030)

通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)控相結(jié)合的方式，研究地鐵區(qū)間過渡段淺埋超大斷面隧道的破壞形態(tài)、開挖工法、施工參數(shù)及支護(hù)體系力學(xué)特性。研究結(jié)果表明：應(yīng)以中風(fēng)化和微風(fēng)化巖層的交界處產(chǎn)生向兩側(cè)以泰沙基破裂角擴(kuò)展的破裂面作為荷載設(shè)計(jì)的依據(jù)；不同開挖工序的地表沉降有較大區(qū)別，拱部中導(dǎo)洞最后施工對控制地表下沉最有利；管棚直徑對地表沉降影響不大，減少管棚環(huán)向間距對控制地表沉降更為有效；臨時橫撐是施工期重要的支護(hù)結(jié)構(gòu)，1次拆除長度不宜超過6 m。

大斷面隧道；開挖工法；力學(xué)特性；破壞形態(tài)

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人流、車流急劇增大，使得城市交通擁堵狀況日益尖銳和突出，地面交通已無法滿足城市發(fā)展的交通需求，充分開發(fā)利用地下空間成為城市發(fā)展的客觀需要，地鐵建設(shè)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。地鐵線路按其在運(yùn)營中的作用，有正線、輔助線之分，輔助線包括折返線、渡線、聯(lián)絡(luò)線、存車線等，隨著地鐵路網(wǎng)的發(fā)展，線路日益復(fù)雜，形成單洞多線的大斷面隧道情況越來越多[1?3]。受城市環(huán)境的制約，地鐵施工在很多情況下只能采取暗挖法，一方面，由于跨度增大引起開挖斷面積大幅度增加，工程造價會大幅度上升，經(jīng)濟(jì)性方面要求盡量以低扁平率來降低造價；另一方面，在低扁平率而絕對跨度卻很大的情況下修建這類隧道，對修建技術(shù)會造成更大困難[4?7]。目前，大斷面大跨度隧道方面的研究多是針對公路隧道[8?11]，與城市環(huán)境條件下施工的地鐵隧道相比，對地表變形要求不太嚴(yán)格，而且一般埋深大，圍巖條件好，其施工方法和支護(hù)參數(shù)與淺埋地鐵隧道有較大區(qū)別。本文作者以廣州地鐵2號線超大斷面隧道為對象，對隧道破壞形態(tài)、開挖工法、支護(hù)參數(shù)以及施工參數(shù)等方面進(jìn)行研究。研究成果可為類似條件下的大斷面地鐵隧道設(shè)計(jì)和施工提供一定的經(jīng)驗(yàn)和參考。

1 工程概況

圖1所示為公園前站至紀(jì)念堂站區(qū)間隧道平面示意圖。從圖1可見：廣州地鐵2號線公園前站?紀(jì)念堂站區(qū)間隧道工程，因公園前站是地鐵1號和2號線的換乘站，出站后線路復(fù)雜，在右線隧道YCK14+095處開始出現(xiàn)渡線，在左線隧道ZCK14+210處與左線存車線相交，因此在YCK14+180~YCK14+202處形成左線、右線、存車線、渡線4線并存的大跨度隧道。該處大斷面隧道設(shè)計(jì)埋深15.8 m，開挖跨度為21.6 m，開挖高度14.2 m，開挖斷面面積為253.7 m2。按照國際隧道協(xié)會制定的“隧道斷面劃分標(biāo)準(zhǔn)”，隧道凈空面積大于100 m2的隧道即為超大斷面隧道。

本區(qū)間隧道位于廣州市中心地帶，隧道所處的地面環(huán)境復(fù)雜，隧道西側(cè)多為四、五十年代修建的2~4層民宅，結(jié)構(gòu)安全度較低，東側(cè)市政府機(jī)關(guān)和新華社廣東分社建筑物離隧道較近，附近的廣紡聯(lián)等危房需采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行保護(hù)，施工過程中對地表變形及對周圍環(huán)境的影響應(yīng)嚴(yán)格控制。大跨度隧道的施工是該區(qū)間隧道施工的難度和重點(diǎn)，在實(shí)際施工中是否選擇合理的施工方法及施工參數(shù)直接影響到工程的成敗。

地質(zhì)剖面如圖2所示，區(qū)間隧道范圍上覆第四系土層，其下為白堊系上統(tǒng)三水組康樂段(K2S1)紅層，巖性為泥質(zhì)粉砂巖，含礫砂巖夾粗砂巖及砂礫巖，巖性變化較大，巖層平緩，地質(zhì)構(gòu)造簡單，區(qū)間隧道穿越的巖層和土層，主要為全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、中等風(fēng)化帶和微風(fēng)化帶，屬于Ⅱ~Ⅴ級圍巖。區(qū)間第四系覆蓋層中存在孔隙水，基巖中存在裂隙水，但富水性和透水性均很差。

單位：m

2 計(jì)算模型的建立

2.1 圍巖和支護(hù)材料參數(shù)的確定

為保證數(shù)值模擬能夠最大限度的反映現(xiàn)場的實(shí)際情況，選取里程YTK14+180附近的地質(zhì)斷面作為大跨度隧道的研究斷面。此段的地質(zhì)斷面比較典型，土層、全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化層分層明顯，圍巖物理力學(xué)參數(shù)也最為不利。數(shù)值計(jì)算中圍巖選用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，本構(gòu)模型采用摩爾?庫倫彈塑模型，物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)由工程地質(zhì)勘察報(bào)告提供，并參考相關(guān)規(guī)范[12]。襯砌選用與圍巖相同的實(shí)體單元，采用彈性模型，力學(xué)參數(shù)根據(jù)規(guī)范值確定。超前支護(hù)中的長管棚在二維分析中通過提高圍巖力學(xué)參數(shù)，三維計(jì)算中采用樁單元(僅考慮法向彈簧剛度n=200 MPa/m，不考慮單元與土的摩擦作用)模擬，以實(shí)現(xiàn)管棚與土體的相對變形。初期支護(hù)的鋼架采用梁單元模擬，鋼筋網(wǎng)作為安全儲備，在模擬計(jì)算中未考慮。區(qū)間隧道位于軟弱圍巖，錨桿為全長黏結(jié)式，其主要作用為穩(wěn)定初期支護(hù)鋼架，約束側(cè)向變形，因此采用結(jié)構(gòu)錨桿單元來模擬。根據(jù)上述原則，確定圍巖和支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖及襯砌物理力學(xué)參數(shù)

注：為彈性模量；為泊松比；為黏聚力；為內(nèi)摩擦角；為重度。

2.2 計(jì)算工況

大斷面隧道常常采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，針對該隧道高度較大的特點(diǎn)，拱部和側(cè)洞采用三導(dǎo)坑，并擬定3種分步開挖方法，各工法的區(qū)別在于開挖導(dǎo)洞的順序不同，具體開挖步驟如圖3所示，圖3中數(shù)字表示開挖步序。數(shù)值計(jì)算中主要考慮對隧道破壞形態(tài)、開挖工法、支護(hù)參數(shù)、施工參數(shù)等方面進(jìn)行研究。開挖工法采用二維計(jì)算，其他采用三維計(jì)算。

(a) 工法1；(b) 工法2；(c) 工法3

2.3 計(jì)算范圍和邊界條件

計(jì)算模型取隧道軸線方向?yàn)檩S，水平面內(nèi)垂直隧道軸線方向?yàn)檩S，鉛直向上為軸。建模時水平方向分別在邊墻邊緣之外延伸70 m，再加上隧道本身的跨度，則寬度方向計(jì)算范圍取為160 m，深度方向向上取至地表，向下取至離拱底34 m，隧道縱向方向取22 m。邊界條件為位移約束，其中上部邊界為自由邊界，左右邊界固定方向的位移，下部邊界固定方向位移，縱向方向固定方向位移。數(shù)值計(jì)算模型如圖4所示。

(a) 整體模型；(b) 模型細(xì)部；(c) 鋼架和管棚；(d) 錨桿單元

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 破壞形態(tài)

城市地鐵隧道一般按荷載結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)。確定上覆土荷載的大小是合理設(shè)計(jì)的前提。雖然淺埋隧道荷載的計(jì)算方法較多，但不同的計(jì)算公式得出的破裂角不同，而GB 50157—2003“地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范”[12]對選用何種公式并沒有明確規(guī)定，這給設(shè)計(jì)帶來困難。該隧道斷面很大，所處工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，隧道的破壞形態(tài)、破裂面產(chǎn)生的位置、破裂角的大小都需要進(jìn)一步研究，以探求采用不同理論公式進(jìn)行設(shè)計(jì)的適應(yīng)性。

對無支護(hù)條件下，全斷面開挖進(jìn)行模擬計(jì)算。隧道破壞形態(tài)如圖5所示。

圖5 隧道破壞形態(tài)

無支護(hù)時隧道無法自穩(wěn)，在拱頂出現(xiàn)大規(guī)模的坍方，發(fā)生冒頂現(xiàn)象。兩側(cè)土體向洞內(nèi)塌落，地面出現(xiàn)沉陷，范圍大致為3倍洞徑。圍巖破壞區(qū)發(fā)生在中風(fēng)化層及其以上地層，邊墻中部至拱底未發(fā)生破壞。將圍巖破壞與未破壞的交界線同隧道側(cè)壁的交點(diǎn)作為破裂面的開始點(diǎn)，與地表最遠(yuǎn)處出現(xiàn)破壞區(qū)連接作為破裂面，破裂面與水平線的夾角為破裂角，記為。此值越小，說明破裂范圍越大。按照TB 10003—2005“鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范”[13]解與泰沙基理論破裂角計(jì)算結(jié)果如表2所示。從表2可見：數(shù)值模擬計(jì)算破裂角與泰沙基理論破裂角吻合程度較好，兩者僅相差1.5°。因此可以這樣來描述破裂面：從中風(fēng)化層與微風(fēng)化層的交界處產(chǎn)生(而不是從拱底開始)向兩側(cè)以泰沙基理論破裂角擴(kuò)展，可以以此作為設(shè)計(jì)參考。

表2 破裂角計(jì)算值

3.2 不同工法的影響

3.2.1 地表沉降

地表沉降值是城市地鐵施工中最重要的因素，一般需控制在30 mm以下。計(jì)算中對雙側(cè)壁導(dǎo)坑的3種開挖方式進(jìn)行模擬，不同開挖順序引起的最終地表沉降曲線如圖6所示。從圖6可以看出：地表沉降按從小到大的順序?yàn)楣し?、工法2和工法3。造成沉降差異的主要原因是拱部中導(dǎo)洞的開挖時機(jī)不同，工法1開挖拱部中導(dǎo)洞較晚，這部分土體在開挖拱部左右導(dǎo)洞時起到了支撐拱部的作用，限制了土體的位移，因此地表沉降最小。

1—工法1；2—工法2；3—工法3

隧道開挖工程中，不同的開挖步驟引起的地表沉降不同，在施工時應(yīng)對最不利的開挖步重點(diǎn)監(jiān)控。圖7所示為工法2各開挖步的地表沉降。

從圖7可以看出：隨著開挖的進(jìn)行，地表最大位移從拱頂左側(cè)逐漸移動到拱頂上方。兩側(cè)壁開挖對地表沉降影響較小，開挖完成后地表沉降不到1 mm。拱部開始施工后，沉降迅速增大，其中最不利工況出現(xiàn)在拱部右導(dǎo)坑開挖，沉降從6.7 mm增加到16.5 mm，此開挖步引起的沉降占整個沉降量的54%。這是因?yàn)楣安孔髮?dǎo)坑和中導(dǎo)坑的開挖后，在拱部已形成較大臨空面，對后續(xù)施工擾動非常敏感，拱部右導(dǎo)坑開挖使拱部失去下部覆土的最后支撐而在該步產(chǎn)生最大沉降量。

開挖步：1—1；2—2；3—3；4—4；5—5；6—6；7—7；8—8；9—9；10—10

3.2.2 拱頂位移

圖8所示為不同工法在施工過程中的拱頂下沉的動態(tài)變化。從圖8可以看出：側(cè)壁導(dǎo)坑的施工對拱頂下沉的影響并不大，即使如工法3，在左右側(cè)壁同時開挖后也僅造成了1 mm的下沉量，這是因?yàn)樗淼揽缍却?，?cè)壁導(dǎo)坑距拱頂較遠(yuǎn)減小了影響，同時超前管棚等加固措施起到了良好的控制地層位移的作用。拱部導(dǎo)洞的開挖順序不同造成了拱頂下沉量的差異：工法1最后施工中導(dǎo)洞，這部分土體在左右兩側(cè)導(dǎo)洞開挖的過程中支撐了拱頂，對控制拱頂下沉最有利，下沉量最?。还し?先開挖中導(dǎo)洞，過早的暴露了拱頂臨空面，因此拱頂下沉出現(xiàn)了較大增加；而工法3先開挖拱頂中導(dǎo)洞，然后同時開挖左右導(dǎo)洞，拱頂下沉值最大且發(fā)生了突變，最為不利。

1—工法1；2—工法2；3—工法3

3.2.3 水平位移

3種工法最終水平收斂如圖9所示。水平收斂值很小，邊墻處圍巖向著隧道外移動。這一結(jié)果與文獻(xiàn)[14]以及文獻(xiàn)[15]中觀察到的現(xiàn)象一致。這說明淺埋低扁平率大跨隧道的圍巖位移模式與一般隧道存在較大區(qū)別，這主要是因?yàn)闇\埋大跨隧道拱頂處豎向松動荷載較大，上部圍巖向下擠壓推動下部圍巖向兩側(cè)移動，同時隧道橫撐和初襯組成的支護(hù)體系不僅限制了圍巖向內(nèi)側(cè)的位移，也在拱頂松動荷載作用下發(fā)生變形擠向隧道兩側(cè)土體。這樣使隧道拱頂承受主動土壓力，而邊墻承受被動土壓力。

(a) 工法1；(b) 工法2；(c) 工法3

3.2.4 圍巖塑性區(qū)

討論施工對隧道圍巖穩(wěn)定性問題時，考慮隧道開挖后圍巖塑性區(qū)分布情況是必不可少的。圖10所示為3種工法開挖后圍巖塑性區(qū)的分布情況?？梢娝苄詤^(qū)全部出現(xiàn)在微風(fēng)化以上地層，工法1與工法2相比，拱頂中導(dǎo)洞上方未出現(xiàn)塑性區(qū)，再次證明了較晚暴露拱頂中導(dǎo)洞臨空面，充分利用下方土柱的支撐能力，使其在拱頂初襯封閉成環(huán)前最后一步開挖有利于圍巖穩(wěn)定。工法3最為不利，拱頂左右導(dǎo)洞同時開挖將導(dǎo)致塑性區(qū)向地表擴(kuò)展。

3.3 施工方法擬定

從開挖方法對圍巖穩(wěn)定性的影響分析可知：3種工法均能將地表沉降控制在30 mm以內(nèi)，其中采用工法1從控制地表沉降的角度是最佳方案，工法3最為不利；兩側(cè)壁導(dǎo)坑同時開挖對地表沉降影響不大，對圍巖穩(wěn)定影響的區(qū)別主要是在拱頂?shù)拈_挖順序上。在實(shí)際施工中，受機(jī)械設(shè)備和工期要求的限制，很難實(shí)現(xiàn)先開挖拱部左右導(dǎo)洞，再開挖中間的工法。因此，考慮3種工法的優(yōu)劣，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件，擬定施工方法如圖11所示，圖11中數(shù)字表示開挖步序。兩側(cè)壁導(dǎo)坑開挖采用工法3的方式，以加快施工進(jìn)度；在兩側(cè)壁導(dǎo)洞施工完后，再施工拱部，拱頂土體采用工法2，左右導(dǎo)洞錯開4 m距離開挖；中間核心土較高，采用臺階法開挖。

(a) 工法1；(b) 工法2；(c) 工法3

3.4 管棚間距的影響

在淺埋軟弱圍巖隧道的施工中，采用管棚支護(hù)作為超前支護(hù)一直是加固圍巖，控制地表沉降的主要措施。管棚直徑取108 mm，環(huán)向間距取20，30，40，50和60 cm按擬定的施工步驟進(jìn)行三維計(jì)算，管棚端部支承在做好二次襯砌的隧道頂面上，計(jì)算時采取固結(jié)處理，約束其，和這3個方向的位移自由度和轉(zhuǎn)動自由度。

圖11 擬定的施工工法

拱頂位置外層管棚沿隧道縱向方向的豎向位移如圖12所示。管棚位移從端部逐漸增大到最大值后趨于穩(wěn)定，隨管棚間距的增大，最大值出現(xiàn)的位置向管棚前端移動并逐漸增大，當(dāng)間距為50 cm時，管棚位移已接近30 mm，從控制管棚撓度的角度，較為不利。圖13所示為不同管棚間距的地表沉降。從圖13可見：隨著管棚間距的變大，地表最大沉降值出現(xiàn)非線性增大，而且增大的速率有變快的趨勢。管棚間距從20 cm增大到60 cm，地表沉降增加了6 mm左右，達(dá)到 22 mm，增幅約38%。

間距/cm：1—20；2—30；3—40；4—50；5—60

圖13 不同管棚間距的地表沉降

隧道中間斷面鋼架的位移和內(nèi)力隨管棚間距的變化分別如表3和表4所示。從表3和表4可見：1) 鋼架拱頂處的位移最大，邊墻處向外凸出，拱底位移最小；隨管棚間距變大，位移增幅加大，鋼架拱頂位移受管棚間距影響尤為明顯。2) 鋼架拱頂和邊墻整體受力較大，底部受力較小，這是因?yàn)楣暗卒摷馨惭b較晚，施工時其他部位鋼架變形已基本到位，未能形成共同受力的體系。3) 隨著管棚間距的變大，鋼支撐各部位內(nèi)力均出現(xiàn)增大，管棚60 cm間距時，鋼架邊墻外側(cè)最大應(yīng)力值為191.3 MPa，達(dá)到鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度的89%。

表3 鋼架位移

注：“?”表示位移指向隧道外。

表4 鋼架內(nèi)力

注：彎矩內(nèi)側(cè)受拉為正；軸力受壓為正。

綜合以上管棚間距對管棚位移、地表沉降以及鋼架內(nèi)力的分析，考慮到管棚施工本身會產(chǎn)生一定的地表沉降，以及施工中可能出現(xiàn)的不確定因素，擬定管棚間距為30 cm。

3.5 管棚直徑的影響

為探討管棚直徑對地表沉降的影響，按管棚間距30 cm，直徑取79，108，159和300 mm進(jìn)行模擬計(jì)算，不同直徑情況下地表最大位移如圖14所示。從圖14可以看出：管棚直徑增大有助于減小地表沉降量，但減小量不大，最大與最小值僅相差不到1 mm。因此，對22 m的長管棚而言，單純依靠增大管棚直徑來控制地表的沉降量作用不大，直徑取108 mm即可。

圖14 不同管棚直徑的地表沉降

3.6 橫撐拆除的影響

隧道二襯混凝土施工的原則是先墻后拱，最后施作仰拱。為了加快拱部二襯施工，縮短拱部臨空面出現(xiàn)時間，拱部中導(dǎo)洞開挖4 m距離后立即拆除橫撐施工邊墻二襯。拆模后，橫撐重新恢復(fù)支撐到2次襯砌混凝土上。為研究橫撐拆除的影響，分析橫撐縱向1次拆除3，6，12和22 m引起的地面沉降、隧道周邊位移和相臨未拆除段橫撐受力，發(fā)現(xiàn)橫撐拆除對地面沉降的影響甚微，但對洞周位移和相鄰橫撐有一定影響。表5所示為各拆除長度下洞周位移。圖15所示為節(jié)點(diǎn)位置編號示意圖。從表5可見：橫撐拆除長度對拱頂下沉影響較小，不同的拆除長度下拱頂下沉變化不大。邊墻中部對橫撐拆除最為敏感，從向外凸出變?yōu)橄蚨磧?nèi)移動。位移絕對值雖然不大，但變化幅度較大，1次拆除22 m時，增幅達(dá)200%左右。因此，在拆除時仍需加強(qiáng)對相關(guān)隧道段的監(jiān)測。

表5 橫撐拆除時的洞周位移

注：向?qū)Ф磧?nèi)移動為正。

圖15 節(jié)點(diǎn)位置編號示意圖

圖16所示為不同拆除長度下相臨未拆除段橫撐最大壓應(yīng)力情況。從圖16可知：臨時橫撐的拆除打破了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)原有的平衡，未拆除段橫撐應(yīng)力出現(xiàn)明顯增大，拆除長度對橫撐受力影響顯著。這說明對大跨度隧道來說，臨時橫撐是施工期重要的支護(hù)結(jié)構(gòu)，必須鄭重考慮拆除方式，建議1次拆除長度定為6 m，間隔分段進(jìn)行，以免導(dǎo)致安全事故。

圖16 未拆段橫撐壓應(yīng)力

3.7 地表沉降

按照圖11中擬定的施工工法，模擬計(jì)算得出的隧道中間目標(biāo)斷面地面沉降如圖17所示，沉降最大值為18.7 mm。對比圖6中的3種工法的沉降曲線可以看出：本工法的沉降最大值小于工法3的沉降最大值，大于工法1的沉降最大值，與工法2的沉降最大值接近。本文工法采取兩側(cè)壁導(dǎo)坑同時開挖的方式，在將隧道沉降控制在規(guī)范允許范圍(30 mm)的同時加快了施工進(jìn)度，為最優(yōu)工法。

圖17 擬定工法的地表沉降

3.8 襯砌受力分析

施工完成后，襯砌的第1和第3主應(yīng)力(壓為負(fù)，拉為正)分布如圖18和圖19所示。由圖18和圖19可見：1) 從整體上看，初襯應(yīng)力小于混凝土強(qiáng)度，處于正常受力范圍內(nèi)。較大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂外側(cè)和邊墻內(nèi)側(cè)，為4 MPa左右；初襯與臨時橫撐連接處存在應(yīng)力集中，拉壓應(yīng)力均最大，由于噴混凝土早期強(qiáng)度較低，因此此處施工時應(yīng)特別注意。2) 二襯具有較高的安全儲備。除了少數(shù)位置有9 MPa左右的應(yīng)力集中外，其余區(qū)域壓應(yīng)力小于6 MPa，較大應(yīng)力出現(xiàn)在邊墻附近；拱頂和仰拱內(nèi)側(cè)出現(xiàn)的較大拉應(yīng)力為1 MPa左右，亦不構(gòu)成強(qiáng)度問題。

(a) 第1主應(yīng)力；(b) 第3主應(yīng)力

(a) 第1主應(yīng)力；(b) 第3主應(yīng)力

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

本隧道采用模擬計(jì)算得出的施工工法、支護(hù)及施工參數(shù)進(jìn)行了施工，為驗(yàn)證計(jì)算分析的合理性，同時掌握隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和對周圍環(huán)境影響信息，在施工過程中進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)[16]?，F(xiàn)場試驗(yàn)的監(jiān)測項(xiàng)目以位移監(jiān)測為主，同時輔以應(yīng)力監(jiān)測，各種監(jiān)測數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，確保監(jiān)測結(jié)果的可靠性。

4.1 地表沉降

沿隧道軸線布置1地表沉降觀測斷面，共13個測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖20所示。

單位：m

隧道開挖前未影響到該處地表沉降時，即要布置該處的觀測點(diǎn)，測得測點(diǎn)初始值。與初始值的差值，即為累積沉降值。隧道施工完成后，引起的最終地表沉降如圖21所示。從圖21可以看出：地表主要沉降范圍為45 m左右，與數(shù)值計(jì)算的沉降范圍一致。拱部導(dǎo)洞先開挖側(cè)上方地表位移較后挖側(cè)大，因此今后類似大跨度隧道施工時，宜后開挖靠近重要建筑物1側(cè)的拱部導(dǎo)洞。最大沉降值位于拱頂上方地表，為 19.2 mm，控制在允許范圍(小于30 mm)內(nèi)。與計(jì)算結(jié)果(18.7 mm)相比，最大沉降值稍大，這是數(shù)值計(jì)算對實(shí)際巖土體復(fù)雜的力學(xué)與變形特性、本構(gòu)關(guān)系的簡化引起的。

圖21 實(shí)測地表沉降曲線圖

4.2 周邊收斂和拱頂下沉

隧道開挖后，圍巖的位移是圍巖和支護(hù)形態(tài)變化最直接、最明顯的反映，凈空的變化(收縮和擴(kuò)張)是圍巖變化最明顯的體現(xiàn)。通過周邊收斂和拱頂下沉監(jiān)測，反饋圍巖變化信息，及時指導(dǎo)施工[17]。凈空收斂量測采用WRM?3型收斂計(jì)，監(jiān)測斷面按與對應(yīng)地表監(jiān)測斷面重合，每1個監(jiān)測斷面按5測點(diǎn)4測線方式布設(shè)，測點(diǎn)布置圖如圖22所示，圖22中數(shù)字表示開挖步序。

凈空收斂監(jiān)測至邊墻二襯施設(shè)前停止，收斂實(shí)測值如表6所示。

圖22 位移及土壓力測點(diǎn)布置圖

表6 周邊收斂值

對比表6所示的收斂實(shí)測值與表5所示的洞周位移計(jì)算值可以看出：實(shí)測值與計(jì)算值分布規(guī)律基本一致，數(shù)量級相當(dāng)。側(cè)壁導(dǎo)坑凈空收斂值均較小，這說明雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工大斷面隧道能有效控制圍巖變形，防止隧道位移過大而失穩(wěn)。因此，結(jié)果表明施工方案合理，隧道施工安全。

圖23所示為實(shí)測拱頂沉降圖。從圖23可見：拱頂下沉在開挖70 d后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為11 mm左右。拱頂下沉監(jiān)控值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果差異較大，甚至小于地表沉降值。造成這一差異的原因是它們的測點(diǎn)初值不同，拱頂下沉監(jiān)控是從監(jiān)測斷面拱頂開挖后才開始進(jìn)行的，這時圍巖已發(fā)生一定位移，監(jiān)控值小于實(shí)際發(fā)生值。而地表沉降從隧道開挖前未影響到該處地表時即布置沉降觀測點(diǎn)進(jìn)監(jiān)控，所以和數(shù)值計(jì)算值吻合較好。因此，施工時應(yīng)參考其他監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行綜合分析，以免發(fā)生誤判而釀成事故。

圖23 實(shí)測拱頂沉降圖

4.3 土壓力

作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的地層壓力，是以荷載結(jié)構(gòu)法設(shè)計(jì)襯砌結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)。由于地層壓力的計(jì)算方法問題較多，實(shí)測地層壓力在一些工程中受到了重視。圍巖壓力和襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力是判斷洞室結(jié)構(gòu)物工作安全度的主要依據(jù)，現(xiàn)場量測的結(jié)果和分析也引起人們的關(guān)注。本次土壓力量測采用在支護(hù)結(jié)構(gòu)背后埋設(shè)壓力盒的方法，壓力盒布置見圖22，地層土壓力如表7所示。

表7 地層土壓力

從表7可以看出：土壓力普遍較小，拱頂土壓力約為4 m土柱，不到全部覆土厚度的1/3，這說明該施工方法在控制了地表沉降的同時有效的利用了圍巖的自穩(wěn)能力，結(jié)構(gòu)具有充分的安全程度，與數(shù)值計(jì)算中二襯的受力特性吻合。比較數(shù)值計(jì)算土壓力與實(shí)測土壓力可知：兩者在具體數(shù)值上有一定差異，但兩者分布規(guī)律一致，均為拱部和拱腳附近土壓力較大，兩側(cè)邊墻附近較小，這進(jìn)一步說明了數(shù)值計(jì)算的正確性。

5 結(jié)論

1) 破裂角宜采用泰沙基理論解，以中風(fēng)化層和微風(fēng)化層的交界處產(chǎn)生向兩側(cè)以泰沙基破裂角擴(kuò)展的破裂面作為荷載設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2) 不同的開挖工序下地表沉降有較大區(qū)別，最后施工拱頂中導(dǎo)洞對控制拱頂下沉最有利；側(cè)壁導(dǎo)坑的施工對沉降影響較小。

3) 低扁平率大跨隧道的圍巖位移模式與一般隧道存在較大區(qū)別，施工完成后邊墻處圍巖指向隧道外；隧道拱頂處承受主動土壓力，兩側(cè)邊墻處承受被動土壓力。

4) 管棚采用間距為30 cm，直徑為108 mm比較合理，管棚直徑對地表沉降影響不大，減少管棚環(huán)向間距對控制地表沉降更為有效；臨時橫撐是施工期重要的支護(hù)結(jié)構(gòu)，必須鄭重考慮拆除方式，建議1次拆除長度定為6 m，橫撐與襯砌連接部位存在應(yīng)力集中，在施工時予以重點(diǎn)關(guān)注。

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(編輯 羅金花)

Construction schemes and supports mechanical characteristics of shallow embedded large-section tunnel

LI Xun1, HE Chuan1, GENG Ping1, DING Jianlong2

(1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. Guangzhou Metro Corporation, Guangzhou 510030, China)

By numerical simulation and on-site monitoring, the failure mode, excavation schemes, excavation parameters and mechanical characteristics of supporting system of shallow large-section tunnel for the subway transition section were studied. The result shows that fracture plane arises from the junction of medium-weathered rock and weakly-weathered rock and expands with Terzaghi sliding angle, which are used as the basis for the load design. Different excavation sequences make considerable differences of surface subsidence, and the most favorable sequence to restrict the subsidence is to excavate the arch pilot that is close to important structures firstly and middle pilot finally. The size of the diameter of the pipe roof has little effect on surface subsidence, and reducing pipe roof ring spacing is more effective for controlling surface subsidence. Temporary transverse support is an important structure during construction period, and the one-time dismantled length is advised not to exceed 6 m.

large-section tunnel; excavation schemes; mechanics characteristic; failure mode

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.09.031

TU94+3

A

1672?7207(2015)09?3385?11

2014?12?11；

2015?02?12

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2011CB013605-5)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1134208，51378433) (Project(2011CB013605-5) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Projects(U1134208, 51378433) supported by the National Natural Science Foundation of China)

耿萍，教授，從事隧道施工力學(xué)與抗震研究；E-mail: gengp@scjm.gov.cn