上軟下硬大跨車站隧道施工方案研究

邵 標，尚艷亮，隆 衛(wèi)，劉寶奎

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300142； 2.上海交通大學 土木工程系， 上海 200240；3.中鐵隧道集團三處有限公司， 廣東 深圳 518052； 4.鐵科院(深圳)特種工程有限公司， 廣東 深圳 518000)

上軟下硬大跨車站隧道施工方案研究

邵 標1，尚艷亮2，隆 衛(wèi)3，劉寶奎4

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300142； 2.上海交通大學 土木工程系， 上海 200240；3.中鐵隧道集團三處有限公司， 廣東 深圳 518052； 4.鐵科院(深圳)特種工程有限公司， 廣東 深圳 518000)

依托大連地鐵二號線興工街站，充分組合使用超前大管棚與小導管注漿、雙層初期支護、增設大拱腳、拱部后期徑向注漿和縱梁底巖體注漿加固多種控制措施對圍巖變形進行控制。利用有限元軟件對組合變形控制措施的施工效果深入分析，發(fā)現隨著支護措施的逐漸增強，地表最大沉降值逐漸減小，控制效果明顯；雙層初期支護和增設大拱腳對控制地表沉降效果最好。結合監(jiān)控量測進行現場實證變形控制效果，實測結果與數值模擬的地表沉降規(guī)律非常相近，證明了數值模擬結果的合理性。研究成果可以為此類隧道修建積累實踐經驗，指導今后的隧道設計與施工。

上軟下硬巖層；大跨隧道；圍巖變形；組合控制；監(jiān)控量測

隨著我國社會經濟的發(fā)展，國內許多大中城市都已經開始了大規(guī)模的地鐵建設，淺埋暗挖大跨地鐵車站隧道因埋深淺、開挖斷面大、圍巖自穩(wěn)能力差，易發(fā)生圍巖大變形從而引起開挖面失穩(wěn)和較大的地表沉降，嚴重時還會導致地面結構物的變形與破壞，尤其對于上軟下硬巖質地層中施工的大跨隧道而言，如何保證拱頂圍巖的穩(wěn)定，控制上覆地層的變形是關系到隧道施工安全和對周邊環(huán)境影響的重要課題[1-6]。疊合承載拱法就是針對上軟下硬巖質地層中淺埋大跨隧道特點提出的一種新的施工方法，在隧道拱部采用雙層初期支護形成一個拱形結構的疊合梁，將拱部圍巖的豎向壓力轉移到隧道兩側圍巖中[7-9]。近年來，我國廣州、青島、重慶地鐵建設中就該施工方法開展了部分試驗研究，但尚未形成系統(tǒng)的理論和設計方法指導工程設計，經驗仍然十分有限[10-14]。

本論文依托大連地鐵二號線興工街站施工案例，充分組合使用超前大管棚與小導管注漿、雙層初期支護、增設大拱腳、拱部后期徑向注漿和縱梁底巖體注漿加固多種控制措施對圍巖變形進行控制，有針對性的選擇隧道開挖支護方式，以期更好的保證隧道的穩(wěn)定?；趯M合變形控制措施的施工效果深入分析，明確多種變形控制措施的作用機理，并結合監(jiān)控量測進行現場實證變形控制效果。

1 工程概況

大連地鐵一期工程203標段興工街站位于西安路與興工街交叉口處，西安路正下方，車站總長為208.3 m，地下兩層，為地下雙層島式站臺車站，結構型式總體為單拱雙層鋼筋混凝土框架結構，地下一層為站廳層，單拱無柱結構；地下二層為站臺層，單柱雙跨框架結構。車站主體標準斷面外輪廓寬度21.2 m，高度17.96 m，車站埋深約8 m。車站標準斷面開挖寬度為21.5 m，高為18.11 m，洞頂埋深7.18 m～11.75 m，開挖斷面面積為344 m2，車站橫斷面見圖1。

圖1 隧道橫斷面圖

隧道所處地質環(huán)境主要以上元古界及古生界地層為主，中、新生界不發(fā)育。地面高程為18.12 m～22.44 m，出露以石灰?guī)r、板巖、白云質灰?guī)r、泥灰?guī)r、石英板巖互層為主。隧道上覆第四系人工堆積層(Q4ml)，下伏震旦系長嶺子組鈣質板巖(Zwhc)，車站拱部圍巖主要以強風化輝綠巖為主、中下部以中風化鈣質板巖為主，具有典型的上軟下硬的地層結構，圍巖類型大部分地段為Ⅳ級—Ⅴ級，地下水埋深3 m～4.8 m，地質剖面如圖2所示。由于地下管線交錯密集，因此車站隧道選擇了暗挖法施工，“雙側壁導坑法+臺階法”組織暗挖，復合式襯砌結構，順作法施工。為了保證拱頂圍巖的穩(wěn)定，控制上覆地層的變形，興工街站在修建過程中探索使用疊合承載拱法并輔以側墻仰拱、增設大拱腳、超前大管棚與小導管注漿、拱部徑向注漿、縱梁底巖體注漿加固等多項技術措施。

圖2 隧道地質縱剖面圖

2 多種支護措施綜合控制作用分析

為明確綜合采取各種支護與控制措施的控制效果，首先通過數值模擬進行分析。假定巖體是均質連續(xù)體，且各向同性，屈服條件采用D-P準則。根據現場地質勘察資料以及根據點荷載試驗確定了數值計算中所需的材料物理力學參數大小。計算中所需的材料物理力學參數大小，具體見表1、表2。

選取里程DK15+623—DK15+650直線試驗段為研究對象，利用MIDAS/GTS軟件建立三維有限元數值計算模型,模型如圖3所示。

2.1 圍巖位移場對比分析

圍巖的位移云圖能夠直接反映位移的分布情況，通過分析位移的分布規(guī)律可用于指導圍巖注漿和初期支護的施作，另外可以直觀地看出隧道開挖引起的變形對周圍建筑物和地下管線的影響程度，因此，分析隧道開挖完成后圍巖位移場的變化規(guī)律是非常有必要的，位移場分析結果如圖4和圖5所示。

圖4和圖5分別為無任何支護下隧道開挖完成后總位移云圖和綜合各種支護下隧道開挖完成后總位移云圖，從圖4、圖5中可以看出：

表1 圍巖主要物理力學參數

表2 支護結構的力學參數

圖3 三維數值計算模型

圖4 無支護時的總位移云圖

圖5 有支護時的總位移云圖

(1) 無任何支護下，隧道上部的變形主要發(fā)生在左右兩側約為0.5倍洞徑處，呈現整體向下沉陷的趨勢，在綜合各種支護情況下，隧道上部的變形主要發(fā)生在隧道兩側附近，相比無支護情況沉降影響范圍要小，說明支護對控制地層沉降有效果這與實際情況相符，上部圍巖呈楔形向下滑動的趨勢。

(2) 在有、無支護兩種情況下，隧道下部圍巖表現為均向上的隆起，中間變形最大，越往圍巖深處越小，成圓弧狀向外擴散，影響范圍約為2倍洞徑。

2.2 地表沉降曲線對比分析

為研究每種支護措施對控制地表沉降、地表水平位移的有效程度，根據各支護措施在大連地鐵興工街站隧道中的實際應用情況，通過有限元軟件建立以下7種工況的三維模型進行分析：

工況1：無任何支護

工況2：側墻仰拱

工況3：側墻仰拱+雙層初期支護

工況4：側墻仰拱+雙層初期支護+增設大拱腳

工況5：側墻仰拱+雙層初期支護+增設大拱腳+管棚與小導管注漿

工況6：側墻仰拱+雙層初期支護+增設大拱腳+管棚與小導管注漿+拱部徑向注漿

工況7：側墻仰拱+雙層初期支護+增設大拱腳+管棚與小導管注漿+拱部徑向注漿+縱梁底注漿加固

隧道開挖完成后橫截面Y=0 m處地表沉降曲線如圖6所示。

由圖6可知：(1) 在無任何支護(工況1)和各支護措施不同組合(工況2—工況7)下隧道開挖完成后橫截面Y=0 m處地表沉降曲線的變化規(guī)律基本相同，沉降主要分布在隧道中心外邊緣±24 m寬度范圍內，即沉降槽約為48 m，沉降槽的大小沒有差別，這是由于隧道對稱開挖，各步開挖引起的地表沉降呈對稱分布。各種工況下沉降曲線均關于縱軸線對稱，中間大兩邊小，距離隧道中軸線越遠的地方，地表沉降逐漸減小，距離中軸線較遠處沉降量趨于0，在距離隧道中軸線24 m～60 m處地表沉降均為正值，即發(fā)生了地表隆起，這是由于數值模擬邊界截斷造成的；(2) 隧道中軸線位置處地表沉降最大，在無任何支護情況下地表最大沉降為4.61 cm，隨著支護措施的逐漸增加，地表最大沉降最終較小為2.67 cm，相比減少42.1%，說明支護措施對地表沉降控制效果明顯。

圖6 隧道開挖完成后橫截面Y=0 m處地表沉降曲線

2.3 地表沿縱軸線方向沉降曲線對比分析

隧道開挖完成后橫截面Y=0 m處沿縱軸線方向沉降曲線如圖7所示。

圖7 隧道開挖完成后橫截面Y=0 m處沿縱軸線方向沉降曲線

由圖7可知：

(1) 在無任何支護(工況1)和各支護措施不同組合(工況2—工況7)下隧道開挖完成后地表沿縱軸線方向沉降曲線的變化規(guī)律基本相同，即沿隧道軸線方向，地表豎向最大沉降逐漸減小，這是因為隨著隧道的開挖，各地層沉降越來越充分，與實際相符。但從施作雙層初期支護后地表最大沉降在隧道開挖首尾兩端的數值相差較大，這是因為隧道圍巖應力釋放和變形受到了支護結構的約束，因此隧道兩端的最大沉降相差較大。

(2) 隨著各支護措施的施加，同一橫截面處地表沉降值逐漸減小，說明支護措施起了作用。

(3) 隧道起始端，在無任何支護情況下地表最大沉降為4.61 cm，在施作各種支護的情況下地表最大沉降為2.67 cm，相比減少42.1%，在隧道結束端，在無任何支護情況下地表最大沉降為4.20 cm，在施作各種支護的情況下地表最大沉降為1.23 cm，相比減少70.7%，說明各支護措施對地表沉降控制效果明顯，且在隧道結束端的控制效果優(yōu)于起始端。

2.4 地表水平位移曲線對比分析

隧道開挖完成后橫截面Y=0 m處沿縱軸線方向沉降曲線如圖8所示。

圖8 截面Y=0 m處地表水平位移曲線

圖8中水平位移為正值代表位移方向向右，位移為負值代表方向向左，由圖8可知：

(1) 在無任何支護(工況1)和各支護措施不同組合(工況2—工況7)下隧道開挖完成后橫截面Y=0 m處地表水平位移曲線的變化規(guī)律基本相同，曲線圖近似于中心對稱的衰減函數曲線，隧道中軸線附近0～34 m范圍內地表水平位移朝隧道中心線方向收斂，大于34 m之后，水平位移向外，逐漸減小趨近于0。

(2) 隨著各支護措施的施加，同一橫截面處地表水平位移逐漸減小，說明支護措施起了作用。

(3) 水平位移均在距離隧道中軸線約10.3 m處出現最大值，在無任何支護情況下地表最大水平位移為2.33 cm，在施作各種支護的情況下地表最大水平位移為1.25 cm，相比減少46.4%，說明支護措施對約束地表水平位移效果明顯。

3 變形控制效果工程驗證

現場監(jiān)測是掌握支護結構所示真實圍巖壓力以及支護效果的最直接、最有效手段。通過對隧道、圍巖以及地表變形的實際監(jiān)測，可以幫助分析支護結構是否起到應有的支護作用，判斷圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)和變形控制措施的實施效果[15]。

3.1 監(jiān)測方案

在興工街站隧道施工過程中，試驗段設置了6個監(jiān)測斷面，開展了系統(tǒng)地變形監(jiān)測。監(jiān)測項目主要包括隧道拱頂下沉、水平收斂以及地表沉降等項目，除此之外，在每個監(jiān)測斷面，還布設了一個多點位移計用于監(jiān)測隧道拱頂圍巖內部位移，測點布設方式見圖9。

3.2 隧道拱頂下沉及水平收斂

隧道拱部采用雙側導洞法施工，開挖順序為右導洞—左導洞—中間核心土，其中兩個側導洞的開挖均采用臺階法由大里程往小里程方向開挖。左右兩個側導洞開挖期間的水平收斂隨時間的變化規(guī)律如圖10所示，只監(jiān)測了側導洞開挖期間的收斂大小，無法了解整個隧道的收斂大小及變化規(guī)律。

圖9 多點位移計布設位置示意圖

圖10 左右側開挖期間水平收斂時程曲線

由圖10可以看出，無論左導洞，還是右導洞，不管是上臺階，還是下臺階，各個監(jiān)測斷面水平收斂的變化規(guī)律基本相同，水平收斂隨開挖掌子面離開距離增大和監(jiān)測天數的增加逐漸增大，但增加速率逐漸降低。從收斂值的對比看，右導洞大于左導洞，DK15+655斷面最大，DK15+605斷面最小，最大水平收斂接近25 mm。圖10中所示的收斂值僅是側導洞開挖初期的變形值，無法反映隧道的整體收斂情況。

側導洞開挖期間的側導洞拱頂下沉監(jiān)測結果如圖11所示。由圖11可知：兩個側導洞拱頂下沉隨開挖掌子面推進和時間推移的變化規(guī)律與水平收斂的變化規(guī)律非常相似。右導洞的拱頂下沉量明顯大于左導洞，右導洞最大下沉約35 mm，而左導洞最大下沉僅為18 mm。這與左導洞開挖晚，監(jiān)測時間短有一定關系，從左導洞下沉曲線可以看出，監(jiān)測結束時，拱頂下沉并未趨于穩(wěn)定，仍在以一定的增長速度繼續(xù)發(fā)展。

圖12為隧道拱部中央核心土開挖(即三部開挖)及內層初期支護完成后隧道中央拱頂下沉的變化曲線，由于中間核心土開挖時兩側導洞的開挖與支護已經完成，雖然左右兩邊的臨時支護還沒有拆除，但是由于隧道跨度大，所以二層初期支護完成后拱頂下沉仍在繼續(xù)，經過近四個月的增長后才逐漸趨于穩(wěn)定。

圖11 兩側導洞拱頂下沉時程曲線

圖12 內層初值完成后隧道中央拱頂下沉時程曲線

3.3 地表沉降

在三個試驗區(qū)段里程范圍內，布設了兩條地表沉降測線，每條測線布設了4個測點，兩條測線里程分別為DK15+638和DK15+655。4個測點分別位于隧道上方地表，其中測點1、4分別位于隧道左側和右側開挖輪廓線地表上方。兩條測線上各個測點的地表沉降變化曲線分別見圖13、圖14。

圖13 DK15+638斷面地表沉降時程曲線

由圖13、圖14可知：雖然兩條測線的沉降大小不同，但各個測點沉降的變化規(guī)律幾乎完全相同，DK15+638斷面地表最大沉降為69.2 mm，DK15+655斷面地表最大沉降為83.1 mm。每條測線上4個測點的沉降非常接近，表明隧道拱頂上方地表產生了整體下沉。

圖14 DK15+655斷面地表沉降時程曲線

3.4 數值模擬結果與現場監(jiān)測結果對比分析

圖15為DK15+638斷面4個測點地表沉降的時程曲線三維有限元數值模擬得出的沉降曲線的對比。由圖15可以發(fā)現隧道地表沉降的特點及規(guī)律。

(1) 隧道開挖完成后，測點3#的實測最大位移為70.2 mm，數值模擬最大位移為26.7 mm，相差43.5 mm，這是由于數值模擬不能考慮土體的局部不連續(xù)性，以及受地下水以及地表動荷載的影響，使得二者結果在數值上有一定偏差，實測結果大于數值模擬結果。

(2) 測點1#、2#、3#、4#的實測地表沉降曲線之間只有微小的波動，幾乎重合，說明隧道開挖后發(fā)生了整體沉降。

(3) 從曲線走勢上看，實測結果與數值模擬的地表沉降規(guī)律非常相近，證明了數值模擬結果的合理性。

(4) 從側洞上臺階開挖到內層初期支護施作完成施工階段，地表沉降發(fā)展較快，即隧道拱部施工引起的沉降最大，是導致地表沉降的主要原因。拱部開挖支護完成后，下部洞身的開挖引起的地表沉降較小。這與洞身段圍巖質量優(yōu)于拱部有關，也與拱部的雙層初期支護、拱腳加固、錨索與錨桿加固等支護措施有關。

圖15 實測地表沉降曲線與數值模擬沉降曲線

4 結 論

(1) 在隧道開挖過程中，將遇到不同類型的圍巖，對于穩(wěn)定性較好的圍巖，隧道開挖后，圍巖具有一定的自穩(wěn)時間，以保證初期支護擁有足夠的施做時間，在這類圍巖中，初期支護應承擔隧道開挖后釋放的全部荷載；對于穩(wěn)定性較差的圍巖，隧道開挖后，圍巖的自穩(wěn)時間很短，初期支護來不及施做，圍巖變形就可能超過其容許范圍，在這類圍巖中，應采用超前支護措施，事先減輕開挖后可能釋放的荷載。

(2) 大連地鐵興工街站隧道處于上軟下硬的淺埋地層中，地質條件較差，圍巖自身穩(wěn)定性不足，地層中地下管線復雜，且地表有建筑物，對沉降控制有一定要求，為控制地表沉降和隧道變形，選用“剛性結構控制理念”進行設計，通過加強支護結構的剛度和提高圍巖自身承載力的方式來控制變形。

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Construction Scheme Research on a Upper soft and Lower hard Ground Large Span Station Tunnel

SHAO Biao1, SHANG Yanliang2, LONG Wei3LIU Baokui4

(1.TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCorporation,Tianjin300142,China;2.DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China;3.SanchuCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Shenzhen,Guangdong518052,China;4.SpecialEngineeringCo.,Ltd.,ChinaAcademyofRailwaySciences(Shenzhen),Shenzhen,Guangdong518000,China)

Based on Dalian metro line two Xinggong Street station, this paper adopted a combined control method of lead-pipe shed and small pipe grouting, double initial support, adding high arch foot, arch post grouting and beam bottom rock grouting to control the deformation of surrounding rock. It used the finite element software to analyze the construction effect of combined control measures. The results showed that with the improvement of support measures, the maximum surface settlement gradually decreases. The control effect is obvious and the double initial support and adding the big arch foot are the best for settlement control. It verifies the deformation control effect combining with the monitoring data. The measured results are very similar to the numerical simulation results, thus the rationality of the numerical simulation results is proved. The research results can provide practical experience for the construction of such tunnels, and guide the design and construction of the tunnel in the future.

upper-soft and lower-hard ground; large-span tunnel; rock deformation; combined control; monitoring

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.012

2017-02-18

2017-03-17

邵 標(1981—)，男，天津人，碩士，高級工程師，主要從事地下結構與隧道工程方面的工作。E-mail: sdsshaobiao@126.com

U455

A

1672—1144(2017)03—0060—07