王春國(guó)

(中鐵十四局集團(tuán) 隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

在城市軌道交通工程建設(shè)中，會(huì)遇到隧道下穿的問(wèn)題，給工程施工的變形控制帶來(lái)考驗(yàn)。如果不嚴(yán)格控制隧道的穩(wěn)定性，就可能造成嚴(yán)重的事故。不同的隧道開(kāi)挖方式，會(huì)對(duì)隧道穩(wěn)定性有不同影響。若開(kāi)挖方式不當(dāng)，也會(huì)造成隧道應(yīng)變的增加[1?4]。國(guó)內(nèi)外有關(guān)隧道下穿的研究較多。王清標(biāo)[5]等人以不同開(kāi)挖方式對(duì)隧道周圍地層和圍巖的變化進(jìn)行研究，分析了多隧道交匯處巖石受力的變化規(guī)律。姚勇[6]等人以某地區(qū)小凈距隧道為背景，利用數(shù)值計(jì)算，分析了軟巖隧道開(kāi)挖穩(wěn)定后，對(duì)圍巖和襯砌進(jìn)行了力學(xué)分析，并且研究了不同凈距隧道開(kāi)挖對(duì)中間巖層的影響。晏啟祥[7]等人通過(guò)數(shù)值模擬不同開(kāi)挖方法對(duì)錨桿和混凝土的作用，分析了不同凈距對(duì)中間巖層的影響。Zhang[8]等人對(duì)黏性摩擦土圓形隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析了隧道直徑與深度比和土壤性質(zhì)的圓形隧道面穩(wěn)定性。但對(duì)全斷面開(kāi)挖、臺(tái)階法、雙側(cè)壁導(dǎo)洞法及CD法的研究鮮見(jiàn)[9?12]。因此，作者擬依托深圳地鐵9號(hào)線工程，將數(shù)值模擬值和工程實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，分析了不同施工法對(duì)隧道的拱頂沉降、水平收斂及地表沉降的影響，以期為該工程的施工方法選擇最佳方案。

1 工程概況

深圳地鐵9 號(hào)線總長(zhǎng)為25.38 km，縱穿南山、福田及羅湖3 個(gè)區(qū)。地鐵9 號(hào)線與地鐵1 號(hào)線因有交匯，所以會(huì)出現(xiàn)新建隧道下穿既有隧道的施工情況。深圳地鐵1 號(hào)線開(kāi)挖后，隧道外徑為6.0 m，內(nèi)徑為5.4 m，掘進(jìn)施工為土壓盾構(gòu)。隧道管片為標(biāo)準(zhǔn)管片，每環(huán)為6 片，寬度為1.5 m。新建隧道直徑為6.0 m。沿既有隧道與新建隧道的交界處，布置檢測(cè)斷面，斷面間隔5.0 m，對(duì)隧道附近同一埋深帶MC-A 處的地表沉降進(jìn)行了檢測(cè)。隧道的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1 所示。

圖1 隧道斷面(單位：m)Fig. 1 Tunnel section (unit: m)

隧道采用臺(tái)階法施工，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查情況，隧址區(qū)土體由素填土、細(xì)粉砂、礫質(zhì)粘性土及花崗巖等組成。

2 數(shù)值分析

采用FLAC3D軟件，模擬新建隧道的開(kāi)挖過(guò)程。為分析不同開(kāi)挖方法對(duì)隧道及周圍巖體的穩(wěn)定性，分別模擬臺(tái)階法、全斷面、雙側(cè)壁導(dǎo)洞法及CD 法施工新建隧道對(duì)既有隧道的影響。在模擬中，假設(shè)土為厚度不變的均勻介質(zhì)，新建隧道尺寸為54 m×50 m×70 m。隧道襯砌與既有隧道為彈性模型，土體為摩爾庫(kù)倫模型。隧道模型如圖2 所示。各開(kāi)挖方式的隧道斷面如圖3 所示。

圖2 數(shù)值模型Fig. 2 Numerical simulation model

圖3 開(kāi)挖斷面Fig. 3 Excavation section

數(shù)值模擬的步驟：①建立模型，確定相關(guān)參數(shù)；②初始重力運(yùn)算，達(dá)到平衡；③開(kāi)挖方式計(jì)算，結(jié)果分析；④改變開(kāi)挖方式，重新進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果分析。土體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)Table 1 Parameters of numerical calculation

3 模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

3.1 地表沉降

MC-A 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4 所示。從圖4 可以看出，采用臺(tái)階法、CD 法及雙側(cè)壁導(dǎo)洞法施工，對(duì)地表的影響均較小。地表沉降量最大的區(qū)域?yàn)樾陆ㄋ淼勒戏郊s10 m 范圍。且距離新建隧道越遠(yuǎn)，地表沉降越小。工程實(shí)測(cè)值也是中間大兩邊小的趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)最大值為9.7 mm。采用臺(tái)階法施工，地表沉降的檢測(cè)值與模擬值相比，趨勢(shì)相似，但實(shí)測(cè)值比模擬值大17%。

圖4 新建隧道的地表沉降Fig. 4 Surface settlement of new tunnel

3.2 既有隧道的拱頂沉降

當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面為MC6(MC′6)時(shí)，既有隧道的拱頂沉降變化曲線如圖5 所示。從圖5 可以看出，在初期，2 個(gè)既有隧道拱頂?shù)某两当碛性龃筅厔?shì)，然后趨于穩(wěn)定。對(duì)于既有隧道一，全斷面開(kāi)挖的拱頂沉降最大，為7.8 mm。其次為臺(tái)階法開(kāi)挖的，最大值為5.3 mm。然后為CD 法開(kāi)挖的，最大值為3.4 mm。雙側(cè)壁導(dǎo)洞法的最小，最大值為2.6 mm。既有隧道二與既有隧道一相似，對(duì)拱頂沉降的影響，從大到小依次為全斷面法，臺(tái)階法，CD 法，雙側(cè)壁導(dǎo)洞法。在既有隧道二中，全斷面法開(kāi)挖的拱頂沉降，最大值為8.4 mm，比既有隧道一的增加了0.5 mm。之所以既有隧道二的拱頂沉降在相同的工法，均大于既有隧道一的，是因?yàn)榧扔兴淼酪槐燃扔兴淼蓝嗍┕ぷ鳂I(yè)現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)，受到的施工影響稍小。拱頂沉降的實(shí)測(cè)值與模擬值趨勢(shì)基本一致。開(kāi)始開(kāi)挖時(shí)，模擬值較大。開(kāi)挖完成后，實(shí)測(cè)值比模擬值增大約20%。

3.3 新建隧道拱頂沉降

圖5 既有隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的拱頂沉降Fig. 5 Settlement of existing tunnel

圖6 新建隧道的拱頂沉降Fig. 6 Settlement of existing new tunnel

MC-B 監(jiān)測(cè)斷面的拱頂沉降值如圖6 所示。由于新建隧道的拱頂沉降影響隧道穩(wěn)定性，因此，對(duì)不同施工方法的隧道進(jìn)行拱頂沉降監(jiān)測(cè)。從圖6 可以看出，新建隧道的拱頂沉降隨施工的進(jìn)程逐漸增加，在距開(kāi)挖距離20 m 后，沉降趨于穩(wěn)定。其中，在4 種施工方法中，雙側(cè)壁導(dǎo)洞法開(kāi)挖的拱頂沉降最小，為5 mm；其次為CD 法開(kāi)挖的，最大值為5.8 mm；臺(tái)階法開(kāi)挖的最大值為8.4 mm；全斷面開(kāi)挖的最大值為11 mm。表明：施工時(shí)，采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法和CD 法，開(kāi)挖的拱頂沉降較小，更有利于隧道整體的穩(wěn)定。臺(tái)階法開(kāi)挖的拱頂沉降適中。而全斷面開(kāi)挖最大，不適用于此工程。對(duì)比臺(tái)階法的模擬值和實(shí)測(cè)值，實(shí)測(cè)值偏大，最大拱頂沉降為11 mm，比模擬值增大了18%。實(shí)際測(cè)量與數(shù)值模擬的趨勢(shì)相似，開(kāi)挖距離監(jiān)測(cè)斷面較近時(shí)，模擬值較大，實(shí)測(cè)值隨著開(kāi)挖進(jìn)程，逐漸超過(guò)模擬值。

3.4 新建隧道的水平收斂

新建隧道的水平收斂如圖7 所示。隧道水平收斂的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為MC-C。從圖7 可以看出，隧道支護(hù)后，開(kāi)挖掌子面距離的增大，水平收斂不斷增加，在距離監(jiān)測(cè)面30 m 后，逐漸趨于穩(wěn)定。對(duì)于隧道穩(wěn)定后的水平收斂值，從小到大依次為雙側(cè)壁導(dǎo)洞法，CD 法，臺(tái)階法，全斷面開(kāi)挖方法。其中，雙側(cè)壁導(dǎo)洞法的水平收斂為4.5 mm。CD 法在隧道掌子面距離監(jiān)測(cè)斷面20 m 后，逐漸穩(wěn)定，水平收斂為6.2 mm。臺(tái)階法開(kāi)挖和全斷面開(kāi)挖方法的水平收斂和開(kāi)挖距離，呈線性關(guān)系，30 m 后趨于穩(wěn)定，臺(tái)階法開(kāi)挖的水平收斂為8.1 mm，全斷面法的水平收斂值最大，為11 mm。在實(shí)際工程中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的水平收斂為9 mm，與模擬值相比，大1 mm 左右。表明：模擬值和實(shí)際測(cè)量結(jié)果較為接近。在施工條件相同的情況下，采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法，能夠有效地減小水平收斂。

圖7 新建隧道的水平收斂Fig. 7 Horizontal convergence of new tunnels

在施工條件相同的情況下，通過(guò)比較全斷面開(kāi)挖方法，臺(tái)階法施工，CD 法開(kāi)挖及雙側(cè)壁導(dǎo)洞法對(duì)下穿新建隧道穩(wěn)定性的影響，考慮施工成本和時(shí)間成本，該工程選擇臺(tái)階法施工為最佳開(kāi)挖方案。

4 結(jié)論

以深圳地鐵9 號(hào)線地鐵下穿工程為背景，采用FLAC3D有限差分法進(jìn)行計(jì)算，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。得到的結(jié)論為：

1) 新建隧道開(kāi)挖過(guò)程中，隧道地表沉降量在正上方部位最大，隨著與隧道距離的增加而減小。交叉隧道施工對(duì)地表沉降的影響，從大到小依次為全斷面開(kāi)挖，臺(tái)階法，CD 法，雙側(cè)壁導(dǎo)洞法。

2) 相同的工法上，既有隧道二的拱頂沉降大于既有隧道一的。對(duì)于拱頂沉降，實(shí)測(cè)值與模擬值相近。開(kāi)挖完成后，實(shí)測(cè)值比模擬值大20%。新建隧道的拱頂沉降隨著施工進(jìn)程逐漸增加，在距開(kāi)挖距離20 m 后趨于穩(wěn)定。

3) 隧道支護(hù)后，水平收斂隨著開(kāi)挖掌子面距離的增大不斷增加，在距離監(jiān)測(cè)面30 m 后，逐漸趨于穩(wěn)定。在實(shí)際施工中，考慮到施工成本和時(shí)間成本，該工程采用臺(tái)階法為最佳開(kāi)挖方案。