大斷面雙連拱隧道施工變形控制技術研究

李登科

(中鐵二十四局集團有限公司軌道交通分公司 上海 200071)

1 引言

隨著中國城市化進程步伐的加快，城市軌道交通建設成為了各級政府所關心的重要民生問題，也成為了普通群眾迫在眉睫解決出行問題的重要方式。在城市軌道建設的過程中，淺埋暗挖法由于其在施工方法上靈活，占用施工空間少，以及對現有交通影響小等特點在眾多施工方法中脫穎而出。其在施工和設計過程中有十八字方針:管超前、嚴注漿、短開挖、墻支護、快封閉、勤測量[1]。其中，監(jiān)控量測是我們施工過程中保證施工安全的一種方法。在現代信息化施工過程中，監(jiān)測結果可以作為已知的數據去進行分析和預測，既可以了解現有施工進程的安全性，也可以去研究預測未來施工過程可能造成的影響，對于我們去預判結果有很大的借鑒意義。

大斷面雙連拱隧道在地鐵隧道施工中較為罕見，其施工變形分析以及預測的研究也比較少。本文以西安地鐵六號線科技八路站～科技六路站區(qū)間雙連拱隧道為例，采用現場監(jiān)測以及數值模擬的方法，對隧道開挖過程中引起的變形進行分析，對類似工程有一定的參考意義[2-3]。

2 工程概況

2.1 概況

科技八路站～科技六路站區(qū)間工程，南起科技八路，沿唐延路北主干道方向敷設，沿途經過科技八路、科技七路、西安唐長安城遺址公園、穿過規(guī)劃中地塊后接入科技六路站。起點里程YCK24+515.500、終點里程YCK25+388.601，左線長882.480 m，右線長873.101 m。其中科技八路站～盾構井(YCK24+515.500～YCK24+691.272)段采用淺埋暗挖法施工，長度約為175.772雙延米；盾構井～科技六路站(YCK24+708.222～YCK25+388.601)段采用盾構法施工，長度約為680.379雙延米。暗挖段平面圖見圖1。

圖1 礦山法區(qū)間平面圖

2.2 工程地質及水文地質情況

擬建場地主要地貌單元為皂河沖洪積二級階地，地層為(1-1)雜填土、(2-1)黃土狀土、(2-5)中砂、(3-1)新黃土、(3-2)古土壤(拱頂土層)、(3-3)粉質黏土、(3-4)粉土、(3-6-2)中砂、(4-3)粉質黏土、(4-6)中砂。本工程暗挖隧道開挖面土層自下而上主要為:古土壤及粉質黏土，部分含粉土及中砂夾層。

據地質資料，該場地所揭露的地下水主要賦存于新黃土、砂類土及粉質黏土中，屬孔隙性潛水。該隧道位于地下水位以上。

2.3 區(qū)間結構及施工方法

2.3.1 區(qū)間結構

區(qū)間結構采用雙連拱結構，復合式襯砌，不同斷面尺寸中最大結構形式為B3斷面，其最大寬度為14.44 m、最大高度為7.93 m、標準段結構尺寸如圖2所示。

圖2 雙連拱隧道結構尺寸(單位：mm)

2.3.2 區(qū)間施工工法

區(qū)間隧道為雙連拱隧道，采用中導洞-臺階法施工。先從盾構井向科技八路站進行中導洞施工，施作中導洞開挖、支護；中導洞開挖100 m后，由盾構井向科技八路站進行二襯中隔墻施工；中隔墻施工24 m后，兩側左右導洞錯開5～10 m分別進行開挖施工；兩側導洞開挖65 m后施作隧道二襯、封閉拱圈。

中導洞、左右導洞均采用上下臺階留取核心土的開挖方法。核心土長度為3～5 m，寬度為隧道相應開挖洞室寬度的1/3～1/2[4-5]。

3 隧道開挖數值分析

3.1 模型參數與尺寸

本次模型以B3斷面構件尺寸建模，該斷面地質情況由上至下分別為:雜填土層厚約2.8 m，黃土層厚約2.4 m，古土壤土層厚約5.8 m，粉質黏土層厚約25 m。

計算范圍:水平方向取70 m，上部取至地表，沿隧道縱向取30 m。計算主要考慮重力場，水平應力由重力自行生成。模型側面和底面為位移邊界，側面限制水平位移，底面限制垂直位移，上邊界是地表，為自由面[6]。該模型是3D平行平面模型，Z平面傾角0；其中單元數246 491，節(jié)點數17 472。模型圖見圖3。

圖3 B3斷面模型

數值計算需采用的土層參數取值見表1。

表1 數值計算參數選取

3.2 隧道中心地表沉降分析

3.2.1 開挖過程中各階段分析

通過運用數值分析軟件，可以將施工的整個過程進行等效的模擬分析，我們可以看到在模擬過程中隧道在中洞二襯施作完成后的沉降值為20 mm(見圖4)，在施工完成后的沉降值為26 mm(見圖5)。為了研究每一步施工在總沉降的比值以及引起地表沉降最大的施工步驟，選取模型Y＝15 m的橫向截面，以及地表中心31 397節(jié)點，計算每一施工步序在總沉降值中的比重，以及各施工步的百分比[7]，見表2。

圖4 中洞二襯施作后地表沉降量分析

圖5 隧道施工完成后地表沉降量分析

表2 施工分階段控制計算值

通過表2可以發(fā)現:中洞開挖的沉降為沉降的主要部分，占最終沉降的39%，中洞二襯施作完后的沉降占最終沉降的58.2%；各施工步序開挖產生的地表沉降分別占最終沉降的百分比有很大差別，其中左洞上臺階開挖占總沉降的6%左右，而右洞下臺階開挖占總沉降的11.25%。下臺階開挖占總沉降的百分比較小。左洞與右洞相比較而言，右洞開挖和支護在總沉降中所占的百分數要大于左洞，這可能和左洞尺寸較小有關[8-9]。

3.2.2 開挖過程中隧道橫向地表沉降變化

由于隧道處于道路正下方，我們不僅要研究地表中心的沉降，也要研究隧道開挖對于臨近地表的影響范圍，我們選取模型Y＝15 m的截面分析隧道開挖的橫向沉降規(guī)律。

根據實測數據分析得知:

(1)左導洞上部土體開挖引起開挖面頂部土體下沉和底部土體隆起，對拱腰部分土體影響不大；此階段地表沉降較小，最大值為0.68 mm。

(2)左導洞下部土體開挖對圍巖的Y方向位移和地表沉降均無較大影響。

(3)右導洞上部土體開挖后，對應部分的拱頂產生下沉，底部土體產生隆起，但對隧道的安全穩(wěn)定性影響不大；此階段地表沉降在每個特征點都有所增加，最大增值為1.16 mm。

(4)右導洞下部土體的開挖擴大了隧道拱部以上圍巖的沉降區(qū)域，擾動區(qū)范圍內的Y方向位移變化不大；此階段地表沉降增幅較小。

(5)中導洞土體開挖后，隧道拱部完全失去土體支撐，圍巖Y方向位移向拱部集中，形成拱部沉降帽，導洞下部土體上表面完全失去Y方向約束，產生了較大的隆起；此階段地表沉降增幅明顯，位于隧道中心線上，中導洞土體開挖后，形成一個規(guī)則、封閉的開挖面，圍巖Y方向位移沿隧道中心線呈對稱分布。

(6)拱頂最終沉降值為26 mm，地表沉降槽最終曲線形成，符合Peck沉降規(guī)律，最大沉降值為10.55 mm，位于隧道中心線上。

4 監(jiān)控測量特征點布置

在施工過程中，為了可以實時觀測施工所帶來的一系列變形，會選取關鍵截面布點，從而來檢測拱頂沉降、地表沉降以及收斂等數據[10]。本區(qū)間隧道在保證安全的同時也為了之后的研究，監(jiān)測點布置見圖6、圖7。

圖6 雙連拱隧道監(jiān)測點布置

圖7 區(qū)間地表監(jiān)測點(局部)

5 支護結構及地表沉降監(jiān)測數據分析

5.1 支護結構變形分析

區(qū)間隧道采用淺埋暗挖法施工的每一步驟均會有所監(jiān)測，拱頂沉降與凈空收斂的最大值均列在了表3中，從表中的數據可以看出，其變形值遠遠小于預警值和報警值。

表3 凈空收斂、拱頂沉降統(tǒng)計值

5.2 地表沉降分析

通過分析現場監(jiān)測數據，我們可知地表沉降最大的位置布點(見表4)基本位于暗挖區(qū)間中心線上，與數值模擬結果一致。將模擬結果的沉降槽與實測數據的沉降槽對比(見圖8)，我們可以看到:模擬結果與實際監(jiān)測結果有著一定的誤差，但誤差在允許范圍之內，而且二者的變化趨勢基本一致[11]。從地表沉降隨時間的變化曲線中可以看出在中洞土體開挖時地表沉降增幅明顯，但整體變化較為穩(wěn)定且在合理的范圍之內。

表4 地表沉降統(tǒng)計值

圖8 沉降槽數據對比曲線

6 施工地表沉降預測

6.1 變形分配預測原理

為了做到信息化監(jiān)控整個施工步驟以及合理地判斷施工目前所處狀態(tài)的安全性，可以將模擬結果中各階段施工步驟在總沉降中所占的比值和現場施工的監(jiān)測數據進行結合，去合理地推斷未來每一步的施工沉降以及最后總的沉降值，這樣既可以對現有施工進行一個反饋，也可以對未來施工進行一個判斷。其核心是:即使模擬結果和實際監(jiān)測數據存在著數量上的對等，但是在各個開挖步序所引起的沉降在總沉降中的比值是相對穩(wěn)定的，可以將數值模擬中的一些比值與實際監(jiān)測數據相結合，去預測未來每一步所發(fā)生的沉降和總的沉降值[12]。

6.2 地表沉降預測

根據數值模擬中的31 397節(jié)點以及實測數據中與其相對應的DBCZDK24+680-1節(jié)點的實測結果進行沉降分配，對各施工步序中的沉降結果進行相對的預測，達到提前報警的效果，其預測的預警值如表5所示。

根據表5，可以將總的沉降預警值分配到每一步施工過程中，更便于合理地控制每一步施工過程，也可以在每一步施工完成時，對現有施工做一個合理的評判。如若在某一步達到警戒值，可以對后來施工過程進行調整，以免整體的施工超出警戒值。根據現有完成施工監(jiān)測數據，也可以對未來每一步的沉降和總的沉降進行一個合理預測，這樣既可以根據現場數據評估施工方案的合理性，也對之后的現場監(jiān)測數據有一個恰當地判斷，從而對整體工程的施工有一個較為全面地把控，做到信息的及時處理以及信息的及時反饋。

表5 施工分階段控制預測預警值

7 結束語

本文通過對西安地鐵六號線科技八路站～科技六路站區(qū)間礦山法隧道開挖過程進行數值模擬分析以及現場監(jiān)測數據分析，得出以下結論:

(1)在雙連拱隧道淺埋暗挖法施工過程中，中導洞土體開挖和支護所引起的地表沉降在總沉降中所占的比值較大，約為58%，左右導洞開挖所引起的地表沉降相較于中導洞來說較小，約為42%。

(2)各開挖關鍵步序的沉降槽的變化基本一致，隧道開挖的橫向影響范圍基本在25 m之內，20 m之外的地表沉降基本在2 mm之內。

(3)中洞開挖引起的沉降大于左洞開挖引起的沉降、大于右洞開挖引起的沉降，先行開挖隧道引起的變形較大，要考慮危險源的位置，合理優(yōu)化開挖步序。

(4)根據現有監(jiān)測數據和模擬結果，對未來沉降的預測均在預警值之內，滿足施工要求。