硬巖地層中扁平大跨隧道拱蓋法施工優(yōu)化分析

陳萬(wàn)麗，張魯明，陳立鵬，黃海濱，張 朋

(青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山東 青島 266000)

近年來(lái)拱蓋法[1-2]在青島、廈門(mén)、大連等城市廣泛運(yùn)用，是上軟下硬淺埋地層中大跨隧道開(kāi)挖的典型工法。拱蓋法包括二次初砌拱蓋法[3-4]和初期支護(hù)拱蓋法。二次初砌拱蓋法由于拱墻分步澆筑，施工縫處預(yù)留的拱部防水層在隧道下部開(kāi)挖過(guò)程中容易破壞，故拱墻結(jié)合部位滲漏水嚴(yán)重。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)工序優(yōu)化，在地層較好的地段形成了初期支護(hù)拱蓋法，即先分部開(kāi)挖拱部，充分發(fā)揮圍巖自身的承載力，通過(guò)拱部初期支護(hù)與圍巖形成整體支護(hù)體系，然后開(kāi)挖下臺(tái)階，最終二次襯砌一次澆筑成型。

地鐵暗挖車站隧道采用初期支護(hù)拱蓋法施工已有較多研究。文獻(xiàn)[5]依托青島地鐵3號(hào)線車站工程運(yùn)用三維有限元數(shù)值方法模擬拱部采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖過(guò)程，得到了拱頂初期支護(hù)主要以受拉為主，側(cè)壁初期支護(hù)主要以受壓為主。文獻(xiàn)[6]依托青島地鐵2號(hào)線海川路站，通過(guò)數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)，分析了不同圍巖等級(jí)條件下初期支護(hù)拱蓋法的合理覆巖厚度。文獻(xiàn)[7-9]依托實(shí)際工程分析得出采用二次初砌拱蓋法施工過(guò)程中，拱部采用CD法(中隔壁法)開(kāi)挖能夠更充分發(fā)揮圍巖自身承載能力，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

以往研究主要依托車站工程，相比于區(qū)間大跨隧道，車站具有更大的高跨比及矢跨比，且拱部開(kāi)挖大多采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。本文依托實(shí)際工程，采用三維數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，研究硬巖地層中扁平大跨隧道應(yīng)用初期支護(hù)拱蓋法的可行性，以及拱部采用CD法開(kāi)挖的適應(yīng)性，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 區(qū)間隧道情況

青島地鐵1號(hào)線人(民廣場(chǎng)站)—衡(山路站)區(qū)間隧道位于青島市黃島區(qū)，區(qū)間由人民廣場(chǎng)站出發(fā)，沿長(zhǎng)江東路向東敷設(shè)，下穿丁家河橋后，途徑丁家河小區(qū)、青島理工大學(xué)、福瀛大廈、長(zhǎng)江新苑小區(qū)、福瀛天麓湖售樓中心等建(構(gòu))筑物后到達(dá)衡山路站，全長(zhǎng)約1.5 km。其中小里程段約1.2 km為單洞單線圓形隧道，采用TBM法施工；大里程段約300 m為站前折返線，為單洞四線大斷面隧道。

1.2 工程地質(zhì)條件

人衡區(qū)間站前折返線拱頂覆土厚度22～29 m，洞身位于微風(fēng)化花崗斑巖中，圍巖等級(jí)為Ⅱ～Ⅳ級(jí)，大里程段約100 m洞身多處穿越破碎帶，地質(zhì)情況較差，其余部分圍巖較完整。地下水以基巖裂隙水為主，富水性較差，透水性弱，水量較小。站前折返線地質(zhì)縱斷面見(jiàn)圖1。

圖1 站前折返線地質(zhì)縱斷面(單位：m)

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 原設(shè)計(jì)方案

站前折返線開(kāi)挖斷面較大，開(kāi)挖跨度達(dá)到22.94 m，高度達(dá)到12.89 m，高跨比僅為0.56，Ⅱ,Ⅲ級(jí)圍巖段拱頂覆巖較厚，采用二次初砌拱蓋法施工，拱部采用CD法開(kāi)挖，采用系統(tǒng)錨桿+格柵鋼架+噴混凝土的支護(hù)體系。拱部施工步序如圖2所示。

圖2 二次初砌拱蓋法施工工序

2.2 優(yōu)化方案

本區(qū)間小里程段拱頂覆巖較厚，圍巖等級(jí)Ⅱ,Ⅲ級(jí)，地質(zhì)情況較好，采用二次初砌拱蓋法施工稍顯保守。另外受前期爆破手續(xù)辦理延誤的影響，本段工期壓力較大，為充分發(fā)揮拱蓋法施工工效，按時(shí)為小里程段TBM法施工提供空間，對(duì)原方案進(jìn)行了優(yōu)化。

優(yōu)化后施工方法改為初期支護(hù)拱蓋法，拱部依然采用系統(tǒng)錨桿+格柵鋼架+噴混凝土的支護(hù)體系。取消了拱腳梁，拱部豎向荷載全部由拱部初期支護(hù)傳至拱腳處圍巖，因此拱腳下方3 m增加系統(tǒng)錨桿。系統(tǒng)錨桿采用φ25中空注漿錨桿，長(zhǎng)3.5 m，間距1 m(環(huán)向)×0.75 m(縱向)，梅花形布置。原來(lái)錨入拱腳梁的2根長(zhǎng)錨桿改為錨入拱腳初期支護(hù)內(nèi)，作為拱腳的鎖腳錨桿。拱部依然采用CD法開(kāi)挖，施工步序如圖3所示。拱部左導(dǎo)洞超前右導(dǎo)洞15 m，同側(cè)導(dǎo)洞上臺(tái)階超前下臺(tái)階5 m，隧道下部中間導(dǎo)洞落后拱部右導(dǎo)洞下臺(tái)階15 m，隧道下部左右導(dǎo)洞落后中間導(dǎo)洞15 m。

圖3 初期支護(hù)拱蓋法施工工序

對(duì)比圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，2種工法的主要區(qū)別在于開(kāi)挖下斷面時(shí)拱部二次初砌是否完成。與二次初砌拱蓋法相比，初期支護(hù)拱蓋法最大的風(fēng)險(xiǎn)在于：二次初砌拱蓋法拱部中隔壁的拆除及拱蓋二次初砌施作幾乎是同時(shí)進(jìn)行的，拱頂初期支護(hù)頂只有幾米的懸空，而初期支護(hù)拱蓋法拱部中隔壁的拆除與下臺(tái)階的分部開(kāi)挖同時(shí)進(jìn)行，拱頂初期支護(hù)將有幾十米甚至幾百米的懸空，因此施工風(fēng)險(xiǎn)更高。但這也是初期支護(hù)拱蓋法的優(yōu)點(diǎn)所在，充分發(fā)揮硬巖的自身承載能力，減少初期支護(hù)與二次初砌施工交叉作業(yè)，節(jié)約人力物力，縮短工期，二次初砌澆筑一次成型，防水質(zhì)量更加可靠。

下面結(jié)合該區(qū)間隧道實(shí)際情況，分析優(yōu)化方案的可行性。

3 數(shù)值分析

3.1 模型建立及參數(shù)確定

由于拱部CD法開(kāi)挖過(guò)程中，各導(dǎo)洞及導(dǎo)洞內(nèi)上下臺(tái)階掌子面存在一定間距，二維模型無(wú)法準(zhǔn)確反映各工況下地面沉降、圍巖應(yīng)變等的變化情況，因此本文采用三維模型進(jìn)行分析。本次計(jì)算采用MIDAS/NX軟件，模型為彈塑性模型，塑性屈服準(zhǔn)則選用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，地層采用實(shí)體單元進(jìn)行三維模擬。依據(jù)地勘報(bào)告選取參數(shù)，初期支護(hù)及中隔壁采用殼單元進(jìn)行模擬。模型尺寸為50 m(x)×80 m(y)×50 m(z)，計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

圖4 計(jì)算模型

該區(qū)間地層主要為雜填土、強(qiáng)風(fēng)化花崗斑巖、中風(fēng)化花崗斑巖和微風(fēng)化花崗斑巖。巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)依照地勘資料及試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，見(jiàn)表1。

表1 巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

嚴(yán)格按照?qǐng)D3所示的施工工序進(jìn)行模擬，選取具有代表性的9個(gè)施工工況，對(duì)其變形值進(jìn)行分析。工況1：拱部左上導(dǎo)洞開(kāi)挖5 m；工況2：拱部左上導(dǎo)洞開(kāi)挖10 m，左下導(dǎo)洞開(kāi)挖5 m；工況3：拱部左上導(dǎo)洞開(kāi)挖20 m，左下導(dǎo)洞開(kāi)挖15 m，右上導(dǎo)洞開(kāi)挖5 m；工況4：拱蓋左上導(dǎo)洞開(kāi)挖25 m，左下導(dǎo)洞開(kāi)挖20 m，右上導(dǎo)洞開(kāi)挖10 m，右下導(dǎo)洞開(kāi)挖5 m；工況5：拱部開(kāi)挖支護(hù)完成；工況6：中隔壁拆除9 m；工況7：中隔壁拆除18 m，隧道下部中導(dǎo)洞開(kāi)挖3 m；工況8：中隔壁拆除完成；工況9：隧道下部開(kāi)挖完成。

工況9沉降云圖見(jiàn)圖5?？梢钥闯觯旱孛孀畲蟪两禐?.68 mm，拱頂最大沉降為9.73 mm，拱腳最大位移為3.65 mm，均滿足規(guī)范要求。

圖5 工況9沉降云圖

地面沉降、拱頂沉降和拱腳位移曲線見(jiàn)圖6?？梢钥闯觯喝叩淖兓厔?shì)基本一致，并且工況5之前拱頂沉降與地面沉降隨著開(kāi)挖的進(jìn)行變化較小，從工況5開(kāi)始沉降急劇增加，曲線斜率明顯變大，直至工況8，之后沉降明顯變小。工況5到工況8對(duì)應(yīng)的工況是拆除中隔壁，說(shuō)明保證中隔壁拆除過(guò)程的安全是初期支護(hù)拱蓋法施工的關(guān)鍵。與文獻(xiàn)[10]結(jié)論相符。

圖6 地面沉降、拱頂沉降和拱腳位移曲線

整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中初期支護(hù)所受最大彎矩(153.7 kN·m)出現(xiàn)在工況9拱頂處。初期支護(hù)為350 mm 厚的C25噴射混凝土，經(jīng)過(guò)計(jì)算每延米初期支護(hù)需要配筋的面積為 1 531 mm2。本工程采用φ22 mm 的HRB格柵鋼架，縱向間距0.75 m，實(shí)際每延米初期支護(hù)配筋面積為 1 901 mm2，因此初期支護(hù)滿足要求。

圖7 工況9圍巖等效應(yīng)變?cè)茍D

工況9圍巖等效應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖7?？梢钥闯觯簢鷰r應(yīng)變?cè)谒淼拦安孔笊蠈?dǎo)洞、右上導(dǎo)洞上方呈駝峰狀分布，拱頂由于有中隔壁支撐圍巖應(yīng)變較小，并且在拱腳處有明顯的應(yīng)力集中。優(yōu)化方案通過(guò)在拱頂設(shè)置系統(tǒng)錨桿有效控制了隧道拱部左上導(dǎo)洞、右上導(dǎo)洞上方圍巖應(yīng)變，拱腳處增加鎖腳錨桿及拱腳下方3 m增加系統(tǒng)錨桿有效控制了拱腳處圍巖應(yīng)變。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

4.1 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為了解施工過(guò)程中圍巖及初期支護(hù)的變形情況，布設(shè)了監(jiān)測(cè)斷面和監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中地面沉降測(cè)點(diǎn)間距3～10 m，在拱頂、左右導(dǎo)洞頂部以及仰拱中部布置初期支護(hù)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在兩側(cè)拱腳及中隔壁下端布置水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制地面沉降、拱頂沉降和拱腳位移實(shí)測(cè)曲線見(jiàn)圖8。對(duì)比圖6和圖8可以發(fā)現(xiàn)：兩者變化趨勢(shì)及數(shù)值大體一致，由此可以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖8 地面沉降、拱頂沉降和拱腳位移實(shí)測(cè)曲線

5 結(jié)論

1)采用初期支護(hù)拱蓋法施工的區(qū)間隧道拱頂及地面沉降、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、圍巖應(yīng)變等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，且有一定的安全系數(shù)，因此在硬巖地層中扁平大跨區(qū)間隧道采用初期支護(hù)拱蓋法開(kāi)挖能夠滿足施工安全的要求。

2)初期支護(hù)拱蓋法整個(gè)施工過(guò)程中的最大風(fēng)險(xiǎn)在中隔壁拆除這一環(huán)節(jié)，因此確定合理的拆撐長(zhǎng)度及拆撐過(guò)程中加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)尤為重要。

3)在開(kāi)挖過(guò)程中拱腳處圍巖存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此有必要采取措施加強(qiáng)此處圍巖承載力。本工程在拱腳處增設(shè)了系統(tǒng)錨桿，效果良好。

4)本工程施工時(shí)拱部采用了中隔壁法開(kāi)挖，滿足了施工安全及工期要求，但拱部開(kāi)挖能否采用工效更優(yōu)的臺(tái)階法開(kāi)挖，圍巖及初期支護(hù)受力如何變化，還有待進(jìn)一步研究。