三重疊小凈距暗挖隧道施工順序研究

王先義， 張金華

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074）

近年來(lái)，隨著城市地下空間的不斷開(kāi)發(fā)，城市地下可利用空間越來(lái)越少，多洞重疊隧道相繼出現(xiàn)［1-6］. 例如重慶軌道交通4號(hào)線重慶北站北廣場(chǎng)站—頭塘站（北站）與9號(hào)線以上下疊落的方式進(jìn)入頭塘站，形成四孔小間距重疊關(guān)系；深圳地鐵5 號(hào)線在太怡區(qū)間與7號(hào)線重疊，形成三孔小間距重疊關(guān)系［7］.

多孔小間距重疊隧道在施工過(guò)程中，會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生多次擾動(dòng)，造成圍巖應(yīng)力的多次重分布，引起較大的地表沉降，使得設(shè)計(jì)與施工困難，嚴(yán)重時(shí)造成安全事故［8-11］. 而施工順序的選擇與優(yōu)化則是影響隧道施工安全與進(jìn)度的關(guān)鍵因素之一［12-13］. 王猛等［14］依托重慶軌道交通4號(hào)線與9號(hào)線在重慶北站北廣場(chǎng)—頭塘站區(qū)間的四孔小間距重疊隧道開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)采用“先下后上”的施工順序較為有利；劉建國(guó)等［15］通過(guò)對(duì)深圳地鐵7號(hào)線長(zhǎng)距離小凈距重疊隧道工程的研究，也表明“先下后上”的施工順序?qū)Φ貙拥臄_動(dòng)更弱，地表沉降更小. 但陳玉龍［16］依托重慶軌道六號(hào)線一期（上新街—禮嘉段）光電園車站及鉆爆法區(qū)間、出入段線、試車線隧道工程重疊隧道段進(jìn)行研究得出，采用“先上后下”對(duì)于上下隧道間施工擾動(dòng)影響小于“先下后上”. 馬海良［17］從理論上驗(yàn)證了“先上后下”的技術(shù)可行性，并總結(jié)出綜合各種力學(xué)行為的表現(xiàn)，“先上后下”的施工順序相對(duì)更好.

由此可見(jiàn)，該問(wèn)題目前尚未有統(tǒng)一的定論，且前人的研究多是在盾構(gòu)法領(lǐng)域，多洞重疊甚至是洞室群多出現(xiàn)在野外的水工隧道中. 在城市復(fù)雜環(huán)境條件下，對(duì)三洞重疊小凈距暗挖隧道施工順序的研究案例極少［18-21］.

本文以正在修建的軌道10號(hào)線區(qū)間隧道、人民路支線公路隧道和軌道2號(hào)線出入通道工程形成的三孔上下重疊小凈距暗挖隧道為研究對(duì)象，設(shè)定4種不同的施工順序，通過(guò)MIDAS有限元數(shù)值模擬，對(duì)在不同施工順序下所產(chǎn)生的地表沉降、隧道拱頂沉降，隧道襯砌應(yīng)力情況進(jìn)行對(duì)比，并在此基礎(chǔ)上分析了施工順序的影響規(guī)律，確定了較優(yōu)的隧道施工順序，較好地指導(dǎo)了施工作業(yè). 本研究所得結(jié)論可為今后類似隧道工程提供參考.

1 工程概況

重慶軌道10號(hào)線區(qū)間隧道、人民路支線公路隧道、軌道2號(hào)線出入通道隧道所形成的重疊段見(jiàn)圖1、圖2所示. 軌道10號(hào)線區(qū)間隧道與上部人民路支線公路隧道最小的豎向距離為1.4 m，與下部軌道2號(hào)線出入通道的最小豎向距離為1.2 m. 軌道10號(hào)線區(qū)間隧道，全長(zhǎng)108.573 m，開(kāi)挖高度10.946 m，開(kāi)挖跨度13.280 m，開(kāi)挖面積約125.243 5 m2，采用馬蹄形斷面，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，周圍圍巖主要以中風(fēng)化砂巖為主，為砂泥巖分界部位，圍巖等級(jí)為Ⅳ～Ⅴ級(jí)；人民路支線公路隧道，全長(zhǎng)685 m，開(kāi)挖高度9.105 3 m，開(kāi)挖跨度10.88 m，開(kāi)挖面積約82.379 2 m2，采用馬蹄形斷面，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，圍巖以中風(fēng)化砂巖為主，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)；軌道2號(hào)線出入通道隧道，全長(zhǎng)145 m，開(kāi)挖高度6.37 m，開(kāi)挖跨度11 m，開(kāi)挖面積約47.895 3 m2，為直墻式隧道，圍巖以砂質(zhì)泥巖為主，圍巖等級(jí)為Ⅳ.

圖1 隧道平面位置關(guān)系圖Fig.1 Plane positional relationship of tunnels

圖2 最小凈距處隧道橫斷面圖Fig.2 Cross section of tunnel at minimum clear distance

該重疊段隧道群地處重慶市政治、經(jīng)濟(jì)和歷史文化中心地帶，位于渝中區(qū)中山四路與人民路之間，兩側(cè)建筑物較多，少數(shù)建筑物以素填土為持力層，且與國(guó)家級(jí)重點(diǎn)保護(hù)文物周公館的水平距離僅為0～6 m，由于周邊環(huán)境十分復(fù)雜，對(duì)該重疊段隧道群施工引起的地表沉降等圍巖變形要求十分嚴(yán)格.

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告分析研究，該區(qū)段屬侵蝕剝蝕丘陵地貌，上部土以人工填土和粉質(zhì)黏土為主，一般厚度為0.6～4.4 m，下部基巖為砂巖、砂質(zhì)泥巖，土體和圍巖的參數(shù)如表1所示. 地下水類型為第四系孔隙水和基巖裂隙水，除了地勢(shì)較低的位置有少量地表水匯集外，隧道段場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水含量甚微. 該區(qū)段主要沿現(xiàn)有道路展布或穿越現(xiàn)有小區(qū)、民房，地形地貌經(jīng)人工改造，多為市政道路和建筑物，除洞口地形較陡外，洞身地形較平緩.

本文研究的三洞室小凈距重疊隧道采用暗挖法施工，隧道間的最小凈距只有1.2 m，隧道間的中間夾層比較薄，在開(kāi)挖過(guò)程中易受多次擾動(dòng)，對(duì)圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，存在安全隱患. 其次最上端的人民路支線公路隧道離地面的距離也很小，其側(cè)面的周公館又是國(guó)家級(jí)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，故對(duì)地表沉降的要求極其嚴(yán)格. 而施工順序是影響兩者的主要因素之一，因此選擇怎樣的施工順序是該工程首先需要考慮的問(wèn)題.

表1 土體和圍巖參數(shù)Tab.1 Parameters of soil mass and rock mass

2 有限元模型及研究方案

2.1 基本假定

本文的數(shù)值模擬計(jì)算分析采用MADIS/GTS軟件來(lái)實(shí)現(xiàn). 在本次的數(shù)值模擬中做了以下假設(shè)：①假定同一巖層為均質(zhì)的各向同性連續(xù)體；②假定地表面為水平面；③不考慮地表建筑物荷載和地下水的影響；④施工階段相比運(yùn)營(yíng)使用階段而言時(shí)間較短，因此不考慮土體蠕變效應(yīng).

2.2 本構(gòu)關(guān)系

德魯克-普拉格屈服準(zhǔn)則（D-P 準(zhǔn)則）與莫爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則（M-C 準(zhǔn)則）相比，突破了M-C 屈服準(zhǔn)則的局限性，考慮了中間主應(yīng)力的作用使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際；且用圓錐形屈服面代替了M-C 的六棱錐形屈服面，從而可以得到角點(diǎn)處的數(shù)值解使模型的收斂性更好. 故在本次有限元模擬計(jì)算中，圍巖和土體采用D-P 準(zhǔn)則進(jìn)行模擬，隧道的初期支護(hù)、二次襯砌和錨桿采用線彈性本構(gòu)關(guān)系模型.

2.3 有限元模型與參數(shù)

本模型為了盡量消除邊界影響，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，模型左右部及下部邊界離隧道中心的距離均大于3倍洞徑，上部取至地表. 模型尺寸為總長(zhǎng)115 m，總寬60 m，總高70 m，計(jì)算模型共計(jì)生成62 416個(gè)節(jié)點(diǎn)和122 359個(gè)單元，如圖3所示.

圖3 有限元計(jì)算模型Fig.3 Finite element calculation model

其中，圍巖采用實(shí)體單元，錨桿采用植入式桁架單元，初支采用板單元，二襯通過(guò)修改單元屬性賦予初支以二襯的材料屬性并在相應(yīng)階段激活該邊界條件來(lái)實(shí)現(xiàn). 在模型四周設(shè)置水平約束，底部設(shè)置水平約束和豎向約束，頂面為自由面. 模型中土體和圍巖的參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察資料，按表1 選?。凰淼莱跗谥ёo(hù)、二次襯砌與錨桿的參數(shù)如表2 所示，其中鋼拱架的支護(hù)作用，通過(guò)等效法，按照公式將彈性模量折算給噴射混凝土.

式中：E為折算后等效混凝土初襯結(jié)構(gòu)的彈性模量；E0為原混凝土的彈性模量；Sg為鋼拱架的截面積；Sc為混凝土截面積；Eg為鋼材的彈性模量.

計(jì)算模型中，軌道2號(hào)線出入通道斷面尺寸小，采用全斷面開(kāi)挖；軌道10號(hào)線區(qū)間隧道和人民路支線公路隧道，采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖.

2.4 研究方案

根據(jù)施工順序的不同，設(shè)置如下4種工況，見(jiàn)表3.

表2 支護(hù)材料參數(shù)Tab.2 Parameters of support material

表3 計(jì)算工況Tab.3 Calculation cases

3 結(jié)果分析與討論

3.1 地表沉降分析

在4種不同施工順序下，開(kāi)挖并施做完成初支和二襯的隧道及土體的變形云圖如圖4所示. 在有限元模型上沿隧道縱向以15 m為間距，依次選取5個(gè)斷面（斷面1、斷面2、斷面3、斷面4、斷面5），在這5個(gè)斷面的地表處，等間距選擇29個(gè)點(diǎn)，提取地表沉降數(shù)據(jù)，繪制沉降曲線. 并將在4種不同開(kāi)挖順序下這5個(gè)斷面相應(yīng)的地表沉降情況進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示.

圖4 施工完成后隧道及土體變形云圖Fig.4 Cloud map of tunnel and soil deformation after construction

從圖4和圖5中均可以看出，無(wú)論采取何種施工順序，在同一斷面處，地表沉降曲線沿模型中心線總體呈現(xiàn)“中間大、兩邊小”的形態(tài)，且沿隧道縱向上看，沉降槽形狀與疊落隧道的平面投影形狀一樣. 這主要是由于模型中心線附近重疊隧道相互影響，施工過(guò)程中對(duì)周圍巖體造成多次擾動(dòng)，導(dǎo)致中心線附近地表沉降大于模型兩側(cè).

從圖5可以看出，工況1和工況2的地表沉降值和沉降槽寬度都要比工況3和工況4要小；其中工況2的地表沉降值和沉降槽寬度最小；工況3和工況4的地表沉降值和沉降槽寬度差異不大. 由此可知從控制地表沉降和沉降槽寬度的角度看，對(duì)于三洞重疊的隧道而言“先下后上”施工順序最優(yōu). 且在此工程條件下，若中間隧道為既有隧道或因某種原因需先施工中間隧道的情況下，采用上穿或者下穿均可，二者在控制地表沉降方面幾乎沒(méi)有差異.

圖5 不同工況下地表沉降曲線Fig.5 Surface settlement curves under different working conditions

3.2 隧道拱頂沉降和拱底隆起分析

根據(jù)圖4 的變形云圖，得出4 種不同工況下各隧道的拱頂沉降和拱底隆起最大值見(jiàn)表4、表5 所示. 從表4 中可以看出，工況2 的拱頂沉降最大值比工況1、工況3 和工況4 小，故從控制隧道拱頂沉降的角度來(lái)看，采用“先下后上”的施工順序更為有利.

從表4 和表5 中可以看出，軌道10 號(hào)線區(qū)間隧道和軌道2 號(hào)線出入通道的拱底隆起值要遠(yuǎn)大于其拱頂沉降值，這是由于隧道開(kāi)挖卸荷所導(dǎo)致的，但該重疊段隧道間的夾巖厚度較小，為避免夾巖卸荷變形產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，應(yīng)注意對(duì)該段夾巖采取注漿加固措施.

表4 施工完成后隧道拱頂沉降最大值Tab.4 Maximum settlements of tunnel vault after completion of construction

表5 施工完成后隧道拱底隆起最大值Tab.5 Maximum upheavals of tunnel vault after completion of construction

3.3 隧道襯砌應(yīng)力分析

在4種不同工況下，隧道施工完成后二次襯砌的最大主應(yīng)力云圖如圖6所示.

圖6 襯砌最大主應(yīng)力云圖Fig.6 First main stress cloud image of the linings

從圖6中可以看出，對(duì)于工況2，軌道2 號(hào)線出入通道拱底承受著極大的拉應(yīng)力，其受力情況是最不利的. 這是因?yàn)樵诠r2的情況下，軌道2號(hào)線出入通道拱底不僅因?yàn)樽陨黹_(kāi)挖卸荷而隆起，上部隧道的不斷開(kāi)挖，致使先挖隧道豎向荷載不斷減小，也會(huì)使隧道產(chǎn)生上浮，使隧道拱底承受較大的拉應(yīng)力. 因此在實(shí)際施工中，軌道2號(hào)線出入通道的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)適當(dāng)加大. 相比之下，工況1的受力更為有利；工況3和工況4相比，工況3的受力又更為有利. 另由于三重疊隧道位置關(guān)系的不斷變化，隨著后施工隧道的向前開(kāi)挖，先施工隧道的環(huán)向應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，三洞中線的重合度越高，隧道的受力就越對(duì)稱，反之產(chǎn)生很大的偏壓，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)變位，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重注意偏壓較大部位.

3.4 工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

由于本重疊段隧道群地處城市中心地帶，周邊環(huán)境十分復(fù)雜，要求對(duì)施工所引起的地表沉降等控制在較小的范圍內(nèi). 為此，采用“工況2”的施工方案，即采用了“先下后上”的施工順序. 在施工過(guò)程中，對(duì)地表沉降及隧道拱頂沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)際施工過(guò)程中軌道2號(hào)線出入通道監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置，如圖7所示；地表沉降監(jiān)測(cè)采用如圖8所示的YL-DSS分布式采集基站，進(jìn)行沉降數(shù)據(jù)收集.

圖7 軌道2號(hào)線出入通道監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖Fig.7 Layout of track line 2 access monitoring point

圖8 YL-DSS分布式采集基站Fig.8 YL-DSS distributed acquisition base station

在軌道10號(hào)線區(qū)間隧道開(kāi)挖完成后（現(xiàn)階段還未開(kāi)挖人民路支線公路隧道），測(cè)得斷面1、斷面2、斷面3、斷面4、斷面5五個(gè)斷面的地表沉降值及軌道2號(hào)線出入通道的拱頂沉降值，并與有限元模擬分析得到的理論值進(jìn)行對(duì)比，地表沉降值對(duì)比見(jiàn)圖9，隧道拱頂沉降值對(duì)比見(jiàn)表6.

表6 軌道10號(hào)線區(qū)間隧道開(kāi)挖完成后軌道2線號(hào)出入通道拱頂沉降Tab.6 The vault settlement of the access channel of track line 2 after the completion of tunnel excavation in the section of track line 10

從圖9和表6中可以看出，該重疊隧道的地表沉降和拱頂沉降均較小，隧道上方地表沉降及拱頂沉降的實(shí)測(cè)值均沒(méi)有超過(guò)10 mm，滿足規(guī)范的要求.

對(duì)比有限元數(shù)值模擬結(jié)果可知，隧道上方地表沉降及拱頂沉降的理論值與實(shí)測(cè)值總體比較接近，變化規(guī)律比較接近.

4 結(jié)論

本文針對(duì)重慶市軌道10號(hào)線區(qū)間隧道、人民路支線公路隧道、軌道2號(hào)線出入通道所形成的三重疊小凈距暗挖隧道工程為背景，通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析，然后用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

圖9 軌道10號(hào)線區(qū)間隧道開(kāi)挖完成后隧道正上方地表沉降值Fig.9 The surface settlement values directly above the tunnel after the completion of the tunnel excavation on track line10

1）從控制地表沉降和隧道拱頂沉降的角度看，“先下后上”的施工順序要優(yōu)于“先上后下”、“先中后上再下”和“先中后下再上”的施工順序. 從隧道襯砌應(yīng)力的角度看，“先下后上”的施工方式隧道的受力是最不利的. 這是由于在“先下后上”的施工順序下，后建隧道的開(kāi)挖對(duì)先建隧道的不斷卸荷使后建隧道上浮，致使先建隧道拱頂及地表沉降減小而拱底拉應(yīng)力增大. 但對(duì)本工程而言，對(duì)地表沉降的控制是施工中控制的重點(diǎn)，故在實(shí)際施工中采用“先下后上”的施工方式.

2）不論在何種施工順序下，軌道2號(hào)線出入通道都承受著極大的拉應(yīng)力，因此軌道2號(hào)線出入通道的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)適當(dāng)加大.

3）實(shí)測(cè)值與有限元數(shù)值模擬的理論值對(duì)比分析表明，兩者在數(shù)值及變化趨勢(shì)上基本一致，并且在對(duì)比選擇方案時(shí)，各方案中采用的參數(shù)都是一樣的，可以忽略巖土參數(shù)對(duì)方案比選的影響，且該方法快速廉價(jià)，故而用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行方案比選有很高的可行性和優(yōu)越性.