中洞法連拱隧道施工穩(wěn)定性分析及優(yōu)化

徐波， 楊旺興， 李加加， 劉濤影， 張朝陽

(1.中鐵建華南建設(shè)有限公司， 廣州 511458； 2.中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設(shè)有限公司， 北京 101100； 3.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院， 長沙 410083)

近年來，隨城市軌道交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，地鐵線路及車站的數(shù)量快速增加，據(jù)統(tǒng)計僅廣州市現(xiàn)有運行地鐵線路14條，在建線路11條，地鐵站更是多達213座。密集度增加導(dǎo)致一些車站施工時需規(guī)避對既有建筑及地面交通的影響，施工方法也由傳統(tǒng)明挖基坑向暗挖、明暗挖結(jié)合轉(zhuǎn)變，開展暗挖段的施工穩(wěn)定性研究對于工程安全至關(guān)重要。中國自1995年在白云山隧道中首次使用雙連拱結(jié)構(gòu)后，連拱隧道的使用及相關(guān)研究迅速增多[1]。朱毅飛[2]研究了中洞法中立柱施作時機對車站開挖力學(xué)效應(yīng)的影響，得出Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下及時施作中立柱能有效減小開挖擾動。牛牟[3]采用有限元分析軟件，研究了淺埋偏壓連拱隧道施工力學(xué)行為，提出采用擴大中導(dǎo)洞尺寸并偏移中隔墻澆筑位置的方法緩解中隔墻偏壓現(xiàn)象。Tuneyoshi等[4]通過分析200多個大斷面連拱隧道模型，研究了隧道跨度、開挖形式、地質(zhì)條件、隧道埋深等因素對隧道穩(wěn)定性的影響。宋戰(zhàn)平等[5]研究臺階法施工不同臺階錯距下隧道施工的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)特征，分析了不同錯距下支護結(jié)構(gòu)變形特點。井洪濤[6]通過埋設(shè)地層變位和圍巖應(yīng)力測試元件，分析了淺埋大跨度隧道開挖過程支護結(jié)構(gòu)變形、地表沉降及圍巖應(yīng)力變化規(guī)律。左雙英等[7]基于剪切滑移線理論，計算了中導(dǎo)洞+臺階法施工初支結(jié)構(gòu)在剪切區(qū)所提供的支護抗力。王昊統(tǒng)等[8]根據(jù)相似理論，采用自制室內(nèi)三維模型實驗系統(tǒng)對地鐵隧道動態(tài)開挖過程進行模擬，總結(jié)了不同工況下的地表沉降規(guī)律。

基于此，現(xiàn)以廣州大道中站為依托，研究中洞法連拱隧道施工過程中隧道拱頂沉降、底部變形、洞周收斂、初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力、中隔墻應(yīng)力以及地表沉降的動態(tài)響應(yīng)特征，總結(jié)不同工藝參數(shù)下隧道變形規(guī)律，通過與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果比對，以期為暗挖車站施工提供了理論指導(dǎo)，并為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

廣州大道中站為廣州地鐵十號線自南向北第二座車站，地下3層14 m島式站臺，采用明暗挖結(jié)合施工，暗挖段設(shè)計里程為：ZDK8+291.152～ZDK8+377.152，長86 m，隧道斷面寬24.86 m，高11.24 m，埋深21.17 m(圖1)。暗挖段地層由上至下依次為：填土層、可塑狀粉質(zhì)黏土層、全風(fēng)化碎屑巖層、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層以及微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。暗挖隧道采用中洞+交叉中隔壁法(cross diaphragm，CRD)施工，中洞采用三臺階法施工，由上至下臺階高度為4.8、2.7、1.1 m，側(cè)洞采用CRD法開挖。超前支護采用超前小導(dǎo)管，側(cè)墻打設(shè)系統(tǒng)砂漿錨桿、全斷面格柵鋼架+臨時型鋼支撐組成聯(lián)合支護體系。

圖1 連拱隧道斷面圖Fig.1 Cross-section of double-arch tunnel

2 數(shù)值模型構(gòu)建

為研究隧道施工過程中隧道結(jié)構(gòu)受力、變形規(guī)律以及對周邊地層的影響，構(gòu)建了的長60 m的雙連拱隧道模型，如圖2所示。考慮邊界效應(yīng)的影響，隧道左右圍巖各取3倍洞徑寬度，隧道至模型底部邊界為3倍洞高[9]，最終模型尺寸為175 m×60 m×65 m。模型中圍巖及隧道中隔墻采用實體單元，初支結(jié)構(gòu)及臨時鋼支撐采用板單元，根據(jù)等效原則將超前小導(dǎo)管及系統(tǒng)錨桿加固的圍巖視為加固圈，通過提高加固圈圍巖的物理力學(xué)參數(shù)實現(xiàn)加固處理，最終模型劃分6.9萬個單元，地層及支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。模型底部邊界設(shè)置豎向位移約束，四周限制法向位移，上表面為自由面，計算荷載考慮圍巖自重。

圖2 連拱隧道模型Fig.2 Double-arch tunnel model

表1 地層及支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of stratum and supporting structure

3 連拱隧道穩(wěn)定性分析

3.1 隧道變形分析

3.1.1 測點布設(shè)

根據(jù)實際施工情況，利用“鈍化”與“激活”功能模擬了中洞法暗挖隧道的開挖與支護，并分別用①～⑦對各開挖部位進行了標號，其中，中洞臺階法開挖上下臺階錯距15 m；側(cè)洞CRD法施工，相鄰臺階錯距5 m；先行洞與后行洞拉開距離為10 m。為充分了解不同施工階段隧道變形情況，分別沿隧道走向0 m(洞口)、30 m及60 m布置監(jiān)測斷面，分析隧道拱頂下沉、底部變形以及洞周收斂情況，測點布設(shè)如圖3所示。

圖3 隧道變形監(jiān)測點Fig.3 Monitoring points of tunnel deformation

3.1.2 拱頂沉降變形

分別在中洞、先行洞以及后行洞拱頂布置沉降測點獲取中洞法隧道施工過程中拱頂沉降曲線(圖4)。圖4(a)為中洞拱頂沉降曲線，洞口(0 m)位置的曲線變化顯示，施工階段1～4中洞上臺階的開挖導(dǎo)致拱頂快速下沉，此階段下沉量達到1.40 mm，中、下臺階的開挖對拱頂下沉影響較小，僅產(chǎn)生約0.39 mm的沉降，在下臺階掌子面遠離洞口5 m后，沉降值基本維持在1.79 mm，分析認為，上臺階開挖卸荷作用導(dǎo)致一部分地應(yīng)力得到釋放，因此中下臺階開挖影響相對較小。施工階段23～25先行洞遠離中洞側(cè)臺階④、⑤的開挖對中洞拱頂沉降影響較小，而施工階段26、27靠近中洞側(cè)臺階⑥、⑦的開挖則會導(dǎo)致中洞拱頂再次產(chǎn)生快速下沉，施工階段30以后曲線再次向下偏轉(zhuǎn)，原因在于后行洞⑥、⑦臺階的開挖導(dǎo)致拱頂沉降速度加快，且整個曲線該段斜率最大，表明該階段拱頂沉降速度最快，因此該節(jié)點施工應(yīng)該加強對拱頂沉降速度的監(jiān)測。隨后行洞逐漸遠離洞口位置，中洞拱頂沉降速度放慢并最終穩(wěn)定在了4.79 mm。30 m與60 m處的沉降曲線與0 m處相似，在掌子面臨近測點5 m位置拱頂開始下沉，下臺階掌子面遠離洞口5 m后沉降維持穩(wěn)定。60 m監(jiān)測曲線在Step 13出現(xiàn)了明顯沉降，此時中洞上臺階貫通隧道，隧道軸線方向失去圍巖支撐，作用在支護結(jié)構(gòu)上的地應(yīng)力增大。

圖4 隧道拱頂沉降變形曲線Fig.4 Settlement deformation curve of tunnel vault

圖4(b)中先行洞拱頂沉降曲線表明，中洞開挖雖然也會造成側(cè)洞拱頂沉降，但影響相對較小，中洞開挖過程中側(cè)洞僅產(chǎn)生了約0.8 mm的沉降。三條曲線均具有快速下降的階段，其中0 m測點在施工階段25～27下沉2.32 mm，30 m測點在施工階段30～32下沉1.89 mm，60 m測點在施工階段36～38下沉2.47 mm，這些階段均對應(yīng)著先行洞靠近中洞方向臺階⑥、⑦的開挖，分析認為遠離中洞方向臺階④、⑤開挖導(dǎo)致應(yīng)力集中在圍護結(jié)構(gòu)及⑥、⑦臺階上，隨臺階⑥、⑦開挖應(yīng)力進一步被轉(zhuǎn)移到支護結(jié)構(gòu)上，因此拱頂產(chǎn)生了較大變形。圖4(c)后行洞沉降曲線快速下降階段發(fā)生在后行洞⑥、⑦臺階開挖過程中，此時整個隧道斷面形成導(dǎo)致臨空面急劇增大，故沉降變化量更大，60 m測點僅在施工階段41～42一個階段便產(chǎn)生了3.11 mm的沉降，因此在后行洞即將貫通時需要加強拱頂日變形量的監(jiān)測并及時封閉成環(huán)。后行洞施工完成后最大沉降值達5.78 mm。

3.1.3 隧道底部變形

隧道底部變形如圖5所示。整個開挖過程中洞底部變形曲線呈上凸型，圖5(a)所示，中洞開挖卸荷導(dǎo)致隧道底部地應(yīng)力向上推擠中洞底面，故隨中洞開挖其底部隆起值不斷增大。30 m監(jiān)測曲線顯示在上臺階距離測點5 m位置(施工階段6)隆起值開始增大，下臺階掌子面遠離測點約5 m后(施工階段14)穩(wěn)定在1.64 mm。側(cè)洞的開挖導(dǎo)致底部應(yīng)力集中區(qū)域向側(cè)洞發(fā)生轉(zhuǎn)移，且中隔墻上壓應(yīng)力的不斷增大使其對底部隆起的抵制作用增強，故隨側(cè)洞施工中洞底部隆起開始回落。兩側(cè)洞底部變形曲線形態(tài)相似，隆起主要發(fā)生在該側(cè)側(cè)洞施工過程中，且測點5 m范圍內(nèi)巖層開挖時產(chǎn)生了最大的隆起變形量，先行洞在1.58～1.90 mm，后行洞在1.78～2.22 mm。圖5(b)中在掌子面遠離測點后測點的隆起值略微減小。圖5(c)中在掌子面到達測點之前測點隆起值先出現(xiàn)了降低，這歸因于先行洞與后行洞的相互影響，先行洞與后行洞開挖導(dǎo)致應(yīng)力向正在施工側(cè)轉(zhuǎn)移，因此臨近測點部位正在施工側(cè)拱底隆起值增大，而未施工側(cè)隆起值減小。側(cè)洞底部隆起最大值在60 m處，先行洞最大隆起量為2.39 mm，后行洞最大隆起量為2.46 mm。

圖5 隧道底部變形曲線Fig.5 Deformation curve at the bottom of the tunnel

3.1.4 洞周收斂變形

圖6為中洞法隧道開挖過程中各硐室收斂變形情況，默認以向洞內(nèi)收斂為正。中洞開挖導(dǎo)致中洞側(cè)壁失去支撐，地應(yīng)力在中洞附近聚集并向洞內(nèi)擠壓側(cè)壁，而側(cè)洞施工在釋放中洞側(cè)壁圍壓的同時增大了中洞拱頂壓應(yīng)力，導(dǎo)致中洞側(cè)壁向外鼓脹，因此中洞收斂變形先增大至0.88 mm而后逐漸減小至-1.69 mm。先行洞與后行洞的洞周收斂變形趨勢較為一致，收斂值均隨側(cè)洞開挖先逐漸增大而后保持穩(wěn)定，開挖完成時先行洞與后行洞的收斂值分別為1.59 mm和1.41 mm。

3.2 支護結(jié)構(gòu)受力分析

通過數(shù)值模擬手段可以獲取連拱隧道支護結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布狀態(tài)(圖7和圖8)，隧道開挖完成后側(cè)洞臺階⑥、⑦部位均出現(xiàn)了拉應(yīng)力[圖7(a)]，且上臺階初支結(jié)構(gòu)受拉特征更為明顯，達到1.59 MPa。壓應(yīng)力則主要集中在側(cè)洞臺階④部位[圖7(b)]，該部位的壓應(yīng)力最大可達4.40 MPa。相較而言，側(cè)洞臺階⑤部位在支護結(jié)構(gòu)中受力最小。整個支護體系中，無論是最大拉應(yīng)力還是最大壓應(yīng)力均分布于鋼支撐上，最大拉應(yīng)力分布在側(cè)洞遠離中洞方向的橫向鋼支撐上[圖8(a)]，最大值達到4.27 MPa，最大壓應(yīng)力分布在側(cè)洞縱向鋼支撐上[圖8(b)]，最大值達到12.62 MPa，鋼支撐的選材及施工必須嚴格按照設(shè)計要求，保證施工質(zhì)量。

3.3 中隔墻應(yīng)力轉(zhuǎn)換分析

中隔墻作為暗挖隧道的永久支護結(jié)構(gòu)，分析施工過程中中隔墻內(nèi)部應(yīng)力轉(zhuǎn)換，并對薄弱部位進行加強，對隧道的安全穩(wěn)定具有重要作用[10]。側(cè)洞開挖過程中中隔墻上應(yīng)力分布狀態(tài)如表2所示，先行洞開挖在中隔墻底部以及頂部偏向先行洞方向均出現(xiàn)了0.57 MPa的拉應(yīng)力，在中隔墻的中部、底部以及頂部偏向先行洞方向出現(xiàn)了0.91～2.38 MPa的壓應(yīng)力。隨后行洞開挖，偏壓現(xiàn)象逐漸消失，施工階段 28時拉應(yīng)力主要集中在中隔墻頂部兩角及底部區(qū)域，最大值達到1.3 MPa，整個中隔墻均分布有壓應(yīng)力，頂?shù)撞吭?.95～1.89 MPa，中部在1.89～5.27 MPa。側(cè)洞開挖完成后，中隔墻內(nèi)部應(yīng)力分布同施工階段28相似，但應(yīng)力值增大，此時中隔墻內(nèi)部最大拉應(yīng)力為1.79 MPa，最大壓應(yīng)力為7.09 MPa?？偟膩碚f，施工過程中中隔墻中部主要承受壓應(yīng)力，而頂縱梁和底縱梁則同時承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，因此施工過程中要嚴格保證頂縱梁和底縱梁的施工質(zhì)量。

圖6 洞周收斂變形曲線Fig.6 Convergent deformation curve of tunnel

圖7 初支結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分布云圖Fig.7 Cloud diagram of principal stress distribution in initially supported structure

圖8 鋼支撐主應(yīng)力分布云圖Fig.8 Cloud diagram of principal stress distribution in steel support

表2 中隔墻應(yīng)力分布Table 2 Stress distribution of the partition wall

4 地表沉降及現(xiàn)場監(jiān)測

為研究中洞法隧道施工對地面所產(chǎn)生的影響，選取30 m隧道斷面，在模型表面布置監(jiān)測線L1(圖9)，獲取開挖過程地表沉降變形曲線如圖10所示。

側(cè)洞斷面大于中洞導(dǎo)致其開挖引起較大沉降，中洞開挖至監(jiān)測斷面時地表最大沉降量為1.61 mm，沉降曲線呈正態(tài)分布，隧道中軸線處為最大沉降部位。先行洞開挖導(dǎo)致沉降曲線向左發(fā)生偏移，當先行洞開挖至監(jiān)測斷面時，先行洞軸線處沉降值最大為3.38 mm。后行洞開挖逐漸消除該偏壓現(xiàn)象，使最大沉降部位再次向隧道中軸線處轉(zhuǎn)移，后行洞開挖至監(jiān)測斷面時地表最大沉降值為6.50 mm，為驗證模擬結(jié)果的有效性，需在現(xiàn)場布置測點，利用水平儀、水準儀、測桿等工具獲取施工期間地表實際沉降變形數(shù)據(jù)。沿隧道走向每15 m布置一個監(jiān)測斷面，斷面上測點布設(shè)以隧道軸線為中心，測點間距逐漸增大(圖11)，若實際變形影響范圍超過“地面測點布置斷面圖”圖示范圍，向外按5 m間距布設(shè)測點。根據(jù)現(xiàn)場施工進度獲取了中洞開挖至監(jiān)測斷面的實際地表沉降曲線(圖10)，由于實際地層并非規(guī)則層狀分布且為各向異性，加之現(xiàn)場施工環(huán)境復(fù)雜，實測地表沉降值略大于模擬值，但模擬結(jié)果所獲得的地表沉降規(guī)律與實測結(jié)果一致，因此可以通過模擬手段指導(dǎo)施工。

圖9 地表沉降監(jiān)測線位置示意圖Fig.9 Schematic diagram of surface subsidence monitoring line position

圖10 地表沉降曲線Fig.10 Surface settlement curve

5 施工參數(shù)優(yōu)化

工程質(zhì)量、工期要求、對周邊環(huán)境影響等因素均是地鐵施工所必須考慮的因素，快速高效的施工既能保證全線按期開通又能帶來巨大的經(jīng)濟效益。對于采用臺階法施工的連拱隧道，臺階錯距、側(cè)洞拉開距離等變量均會對上述因素產(chǎn)生影響[11]，為此研究不同施工參數(shù)下隧道工程的穩(wěn)定性顯得尤為重要。以中洞上下臺階錯距、側(cè)洞相鄰臺階錯距以及左右側(cè)洞拉開距離為變量(表3)，采用控制變量法獲取各監(jiān)測指標的變化規(guī)律。

選取各監(jiān)測指標的最大值進行比較來分析不同施工方案下連拱隧道的穩(wěn)定性(表4)，隨中洞臺階長度的拉大拱頂沉降、底部變形、洞周收斂等隧道變形指標呈遞增態(tài)勢，但由于這些指標的最大值均在側(cè)洞處獲得，故其隨中洞臺階長度變化量較小，地表沉降值則隨中洞臺階長度拉大增長明顯。隧道變形指標及地表沉降值與側(cè)洞相鄰臺階錯距呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，且相較于中洞，側(cè)洞臺階錯距對這些指標的變化影響更為明顯，此外，隨側(cè)洞臺階長度增大中隔墻上應(yīng)力不斷增大，而初支結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力則不斷減小。拱頂沉降、底部變形及地表沉降隨左右側(cè)洞拉開距離的增大而不斷減小，兩側(cè)洞同步開挖(即VAR3=0)，較大臨空面的產(chǎn)生導(dǎo)致應(yīng)力釋放范圍增大，故引起變形量增大。與此同時，側(cè)洞同步開挖隧道受施工影響次數(shù)減少，洞周收斂變形則相對較小，在該研究中側(cè)洞拉開距離為10 m時受后行洞施工的二次擾動，先行洞洞周收斂值達到最大，為1.59 mm，隨側(cè)洞拉開距離的進一步增大，拉開距離對洞周收斂的影響開始減小。中隔墻應(yīng)力隨側(cè)洞拉開距離增大而減小，初支應(yīng)力隨側(cè)洞拉開距離的增大先增大后減小，同步開挖時，兩側(cè)臨空面的對稱出現(xiàn)導(dǎo)致應(yīng)力快速集中在中隔墻上，因此中隔墻應(yīng)力較大而初支結(jié)構(gòu)上應(yīng)力較小，拉開距離為20 m時，左右側(cè)洞相互影響減小，故中隔墻與初支結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力均減小。綜上所述，隧道穩(wěn)定性隨中洞上下臺階錯距及側(cè)洞相鄰臺階錯距的增大而減弱，隨側(cè)洞拉開距離增大而增強，但各模擬方案均能滿足施工要求，因此，實際施工時可根據(jù)不同側(cè)重點對施工參數(shù)進行優(yōu)化。

圖11 地面測點布置斷面圖Fig.11 Layout section of ground measurement points

表3 不同施工方案參數(shù)設(shè)置Table 3 Parameter settings of each construction plan

表4 不同施工參數(shù)監(jiān)測指標值Table 4 Monitoring index values of different construction parameters

6 結(jié)論

針對中洞法連拱隧道暗挖施工的穩(wěn)定性問題，綜合分析了拱頂沉降、底部變形、洞周收斂、初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力、中隔墻應(yīng)力及地表沉降的動態(tài)響應(yīng)特征，對不同工藝參數(shù)下各監(jiān)測指標的變化規(guī)律進行了總結(jié)，得出如下結(jié)論。

(1)拱頂沉降最大值及最大沉降速率均在后行洞施工時獲得，最大沉降值為5.78 mm；中洞底部變形曲線呈上凸型，而最大隆起值在后行洞60 m處，為2.46 mm；受后行洞開挖二次擾動，先行洞洞周收斂值大于后行洞，分別為1.59 mm和1.41 mm；側(cè)洞靠近中洞上臺階支護結(jié)構(gòu)受拉特征明顯，達1.59 MPa，側(cè)洞遠離中洞上臺階支護結(jié)構(gòu)受壓特征明顯，達4.40 MPa；中隔墻中部主要承受壓應(yīng)力，而頂縱梁和底縱梁則同時承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。

(2)地表沉降曲線呈正態(tài)分布，先行洞開挖會導(dǎo)致沉降最大值向左偏移，但隧道施工完成后沉降最大值位于隧道中心，為7.20 mm，隧道施工影響區(qū)域半徑約為25 m。實測地表沉降值略大于模擬值，但模擬結(jié)果所獲得的地表沉降規(guī)律與實測結(jié)果一致。

(3)隧道穩(wěn)定性隨中洞上下臺階錯距及側(cè)洞相鄰臺階錯距的增大而減弱，隨側(cè)洞拉開距離增大而增強，各模擬方案均能滿足施工要求，可根據(jù)工程側(cè)重點選定施工參數(shù)。