超大斷面地鐵隧道的設(shè)計(jì)方案研究

馮 義

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043)

當(dāng)新建地鐵區(qū)間隧道需要設(shè)置單停車線時(shí)多以聯(lián)拱形式或以小凈距隧道相互貼近開(kāi)挖，停車線設(shè)置在小斷面隧道中；當(dāng)需要設(shè)置交叉雙停車線時(shí)，一般將其置于地鐵車站，采用明挖法施工[1-4]；然而受線路運(yùn)營(yíng)制約，有時(shí)交叉雙停車線無(wú)法置于附近車站，又不得已需要將射流風(fēng)機(jī)、疏散平臺(tái)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)等多種設(shè)備置于停車線部位，受建筑限界的控制，該段會(huì)出現(xiàn)4車 道超大斷面隧道。我國(guó)超大斷面隧道的建設(shè)始于20世紀(jì)90年代末，目前國(guó)內(nèi)外的超大斷面隧道實(shí)例很少。廣州龍頭山隧道，按上下分離式布置，為單洞4車 道超大斷面隧道，開(kāi)挖斷面面積高達(dá)230 m2[5]。浙江省路灣隧道設(shè)計(jì)開(kāi)挖斷面面積159.57 m2，于2012年順利完成施工，是當(dāng)時(shí)華東地區(qū)單洞跨徑最大的隧道[6]。

南京地鐵4號(hào)線蔣王廟站—王家灣站區(qū)間涉及超大斷面隧道，受行車和設(shè)備限界的控制，設(shè)計(jì)斷面最大跨度達(dá)23.3 m，斷面面積高達(dá)290 m2，總長(zhǎng)度161.9 m，與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外大斷面隧道[7-11]相比，本工程隧道的跨度較大，斷面面積大，埋深小，圍巖條件差，矢跨比很小。由于超大斷面隧道開(kāi)挖跨度大，圍巖應(yīng)力場(chǎng)重分布非常復(fù)雜，加之為提高隧道建筑凈空使用率，隧道高度往往增加不明顯，隧道呈嚴(yán)重的扁平形狀，隧道結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性極差。另外，為適應(yīng)線路敷設(shè)的需要，超大斷面隧道在大小里程端需要連接2個(gè)小斷面隧道，進(jìn)一步提高了工程風(fēng)險(xiǎn)，工程建設(shè)難度很大。

1 工程概況

蔣王廟站—王家灣站區(qū)間隧道位于南京市紫金山風(fēng)景區(qū)，由蔣王廟站出發(fā)，避繞南京博愛(ài)老年公寓樓之后向北敷設(shè)，最終到達(dá)王家灣站，總長(zhǎng)940 m，隧道埋深8～20 m，包括A0，A1，A2，A3，A4，A5，A6，B1，B2，B3，C，D1，D2，E1，E2，F(xiàn)1，F(xiàn)2，G，H1，H2共19種斷面型式。其中：A，B，C型為單線斷面形式，采用CD法開(kāi)挖；D，E，H型為雙線斷面形式，采用CRD法開(kāi)挖；F，G型為超大斷面形式，斷面跨度23.3 m，高度15.0 m，高寬比0.64，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖。本文研究該區(qū)間隧道G型超大斷面及大、小里程端的相鄰斷面，隧道平面布置如圖1所示。

圖1 隧道平面布置(單位:m)

G型超大斷面于小里程端縱向銜接進(jìn)入B3型、C型斷面，于大里程端縱向銜接進(jìn)入A3型、E1型斷面，A3型斷面距E1型斷面最小凈距為2.7 m。

隧道穿越地層主要為殘積土、強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖、中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖。隧道拱頂覆土厚約15 m，拱頂基本位于強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖與中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖分界線附近，開(kāi)挖時(shí)多處出現(xiàn)圍巖性質(zhì)突變，導(dǎo)致隧道洞內(nèi)坍塌。各斷面支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。二次襯砌為C40鋼筋混凝土。

表1 各斷面支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 超大斷面隧道的高寬比分析

選取G型超大斷面為研究對(duì)象，采用FLAC軟件進(jìn)行模擬，分析高寬比分別為0.53,0.64,0.79,0.95時(shí)毛洞開(kāi)挖后和支護(hù)后圍巖塑性區(qū)的分布，見(jiàn)圖2。

圖2 不同高寬比時(shí)G型超大斷面塑性區(qū)分布

由圖2可見(jiàn)：G型斷面圍巖塑性區(qū)分布范圍隨高寬比的增大而減小，拱頂部位塑性區(qū)分布范圍在高寬比為0.95時(shí)達(dá)到最??；在隧道支護(hù)后圍巖塑性區(qū)分布范圍較毛洞開(kāi)挖后明顯減少。

圖3 G型超大斷面拱頂沉降和水平收斂隨高寬比變化曲線

G型超大斷面拱頂沉降和水平收斂隨高寬比變化曲線見(jiàn)圖3?？梢?jiàn)：隨著高寬比的增加，毛洞開(kāi)挖后和施作二次襯砌后拱頂沉降均逐漸減小，水平收斂均逐漸增大。本工程屬于淺埋隧道，按照文獻(xiàn)[12]中理論公式計(jì)算，無(wú)支護(hù)狀態(tài)下理想高寬比為2.0，最小高寬比為0.5。理想高寬比2.0時(shí)毛洞開(kāi)挖后和支護(hù)后的拱頂沉降和水平收斂都比較接近，這時(shí)應(yīng)力較均勻，是理想的開(kāi)挖斷面。為提高隧道建筑凈空使用率，隧道高度不應(yīng)繼續(xù)增加。對(duì)于區(qū)間隧道，一般不可能達(dá)到理想高寬比，只要滿足最小高寬比，該地質(zhì)條件下隧道斷面產(chǎn)生的塑性位移即可接受。

拱頂環(huán)向應(yīng)力隨高寬比變化曲線見(jiàn)圖4。可知：隨著高寬比的增加，拱頂由受拉變成受壓，說(shuō)明高寬比越大越有利于單洞穩(wěn)定；施作二次襯砌后高寬比約0.64時(shí)應(yīng)力為0，毛洞狀態(tài)下高寬比約0.68時(shí)應(yīng)力為0?？紤]到地鐵隧道采用復(fù)合式二次襯砌結(jié)構(gòu)，在滿足隧道建筑凈空的條件下，高寬比取0.64。即隧道開(kāi)挖寬度為23.28 m時(shí)隧道的設(shè)計(jì)高度為15.0 m。

圖4 拱頂環(huán)向應(yīng)力隨高寬比變化曲線

3 超大斷面與相鄰斷面的銜接設(shè)計(jì)

G型斷面為超大斷面，該型斷面大、小里程端分別接2個(gè)小斷面隧道，即G型隧道在小里程端銜接B3型、C型小斷面，在大里程端銜接A3型、E1型小斷面。隧道掘進(jìn)方向?yàn)榇罄锍潭讼蛐±锍潭?，故相鄰部位存?種 工況。工況1：A3型、E1型小斷面向G型超大斷面掘進(jìn)；工況2：G型超大斷面向B3型、C型小斷面掘進(jìn)。

3.1 工況1設(shè)計(jì)方案

由A3型、E1型小斷面向G型超大斷面掘進(jìn)時(shí)，A3型、E1型小斷面首先在掌子面處充分利用超前支護(hù)加固圍巖，利用鋼架掛網(wǎng)噴混凝土逐漸挑高、加寬進(jìn)入G型超大斷面隧道的兩導(dǎo)坑內(nèi)；大斷面處再采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，最后破除中間巖柱，整個(gè)施工過(guò)程始終保證中間巖柱的穩(wěn)定。施工過(guò)程中提高監(jiān)控量測(cè)頻率，采取臨時(shí)支撐措施控制隧道圍巖變形。

相接時(shí)需保證小斷面隧道一側(cè)落在G型斷面隧道左右導(dǎo)坑內(nèi)，先貫通G型斷面隧道兩側(cè)導(dǎo)坑，后破G型斷面中間巖柱。對(duì)于CD或CRD法施工的隧道待中間巖柱破除后提供工作面再對(duì)另一側(cè)擴(kuò)挖。這樣實(shí)現(xiàn)了各斷面工法的順利轉(zhuǎn)換，降低了不同工法對(duì)圍巖的擾動(dòng)，如圖5所示。

圖5 不同工法相接部位剖面示意(單位：m)

為避免由A3型、E1型小斷面進(jìn)入G型超大斷面時(shí)直接錯(cuò)臺(tái)挑高導(dǎo)致相接部位的圍巖沿節(jié)理等軟弱結(jié)構(gòu)面突發(fā)垮塌，需要進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，如下：

1)拱部150°范圍內(nèi)打設(shè)長(zhǎng)3.5 m的D42超前小導(dǎo)管，間距15 cm(環(huán)向)×2 m(縱向)，注1∶1水泥漿。

2)G型斷面?zhèn)缺趯?dǎo)坑直邊墻架設(shè)1排臨時(shí)支撐，臨時(shí)支撐采用I20型鋼，縱向間距1 m。

3)開(kāi)挖過(guò)程中每個(gè)格柵鋼架拱腳處各設(shè)置2根φ22鎖腳錨桿，長(zhǎng)4 m。

4)在打設(shè)超前小導(dǎo)管范圍以外邊墻處打設(shè)φ22砂漿錨桿，間距1.0 m(環(huán)向)×0.5 m(縱向)。

5)初期支護(hù)噴射混凝土厚度為250 mm。

6)每榀鋼架間采用環(huán)向間距為0.5 m的雙層連接筋連接，連接筋主筋采用φ22鋼筋，并在薄弱處及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)。

3.2 工況2設(shè)計(jì)方案

G型超大斷面采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施作到設(shè)計(jì)小里程端后噴混凝土封閉掌子面，再破中間巖柱，按CD法進(jìn)入B3型、C型小斷面施工。該工況下B3型、C型小斷面開(kāi)挖時(shí)需要明確2種斷面的先后開(kāi)挖順序。

采用MIDAS軟件模擬B3型、C型2種斷面的不同開(kāi)挖順序。工況2中細(xì)分為2種不同開(kāi)挖方案：方案1為先開(kāi)挖C型斷面(較大斷面)，后開(kāi)挖B3型斷面(較小斷面);方案2為先開(kāi)挖B3型斷面，后開(kāi)挖C型斷面。2種方案Mises應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6。

圖6 2種方案Mises應(yīng)力云圖(單位：kPa)

由圖6可知：2種方案在隧道拱腳部位應(yīng)力均較大，且靠近巖柱一側(cè)最大，原因是較大斷面開(kāi)挖時(shí)已擾動(dòng)圍巖，后期開(kāi)挖較小斷面時(shí)應(yīng)力相互疊加；方案1中間巖柱Mises應(yīng)力較方案2大，其應(yīng)力分布范圍也明顯大于方案2，采用方案2結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力小，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂縫也會(huì)減少。另外，考慮到較小斷面隧道因斷面較小、格柵等支護(hù)長(zhǎng)度短，承受偏壓能力比較大斷面強(qiáng)，抗裂效果也好，所以在設(shè)計(jì)階段確定了以G型超大斷面為工作面，先開(kāi)挖B3型較小斷面至車站端頭，再掘進(jìn)另一側(cè)C型較大斷面的方案。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)本工程的設(shè)計(jì)、施工方案進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1)超大斷面隧道高寬比采用0.64是合理的，可提高隧道建筑凈空使用率。

2)針對(duì)不同斷面形式分別采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法和CRD法嵌套開(kāi)挖，降低了不同斷面銜接處的開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)。

3)A3型、E1型斷面向G型超大斷面掘進(jìn)時(shí)逐步挑高擴(kuò)挖，提高支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，可以確保施工安全。

4)數(shù)值計(jì)算表明，G型超大斷面向B3型、C型小斷面掘進(jìn)時(shí)先開(kāi)挖B3型較小斷面，后開(kāi)挖C型較大斷面對(duì)隧道整體安全和裂縫控制有利。