暗挖大斷面區(qū)間隧道下穿既有結(jié)構(gòu)沉降控制研究

肖昱XIAO Yu；董延昭DONG Yan-zhao

（石家莊市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，石家莊 050000）

0 引言

地鐵隧道通常敷設(shè)于城市道路下方，在地鐵隧道建設(shè)施做過(guò)程中，不可避免引起隧道影響區(qū)周邊巖土體擾動(dòng)，破壞原有巖土體內(nèi)部平衡，尤其是在施工中存在水文地質(zhì)條件較差地層情況下，誘發(fā)地層出現(xiàn)一定數(shù)量的沉降與變形，嚴(yán)重情況下可能影響隧道上部建構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全，導(dǎo)致造成財(cái)產(chǎn)乃至生命損失。因此，研究地鐵區(qū)間隧道下穿既有建構(gòu)筑物沉降規(guī)律對(duì)于處理圍巖穩(wěn)定、支護(hù)設(shè)計(jì)提高變形控制技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

王夢(mèng)恕[1]院士2004 年出版的《地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論》全面透徹系統(tǒng)地總結(jié)闡述了城市地鐵淺埋暗挖工作原理、參數(shù)選取、管理理論；陽(yáng)軍生、傅鶴林、康雪軍等結(jié)合其他城市地鐵建設(shè)差異地層、環(huán)境等暗挖隧道具體施工參數(shù)開(kāi)展了廣泛研究[2-12]，以便充分發(fā)揮暗挖技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

淺埋暗挖法雖然在國(guó)內(nèi)其他城市地鐵隧道建造近30年的工程實(shí)踐中積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)和理論，但切合石家莊地鐵工程實(shí)踐而言，雖然可以借鑒國(guó)內(nèi)其他城市類(lèi)似地層的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，但計(jì)算中對(duì)本地區(qū)礦山法工程設(shè)計(jì)及施工參數(shù)范圍及施工規(guī)律作類(lèi)似經(jīng)驗(yàn)假設(shè)顯然不妥，尤其對(duì)無(wú)水砂層為主的松散地層礦山法工程設(shè)計(jì)及施工，當(dāng)前國(guó)內(nèi)提供可借鑒的試驗(yàn)、量測(cè)、分析統(tǒng)計(jì)及理論分析等規(guī)律總結(jié)相對(duì)較少，在應(yīng)用上受到一定限制。基于上述研究現(xiàn)狀，有必要結(jié)合石家莊地鐵建設(shè)實(shí)踐，針對(duì)石家莊地區(qū)松散地層特點(diǎn)，從具體留~(yú)火區(qū)間礦山法施工的大斷面開(kāi)挖支護(hù)、變形、破壞和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)施工出發(fā)，分析研究地表及地下過(guò)街通道沉降控制措施，確保地鐵隧道施工及地下過(guò)街通道運(yùn)營(yíng)安全。

1 工程概況

留村站～火炬廣場(chǎng)站區(qū)間沿長(zhǎng)江大道東西向敷設(shè)，位于長(zhǎng)江大道中間綠化隔離帶正下方；自留村站向東下越昆侖大街至火炬廣場(chǎng)站，區(qū)間垂直下穿兩座地下過(guò)街通道。區(qū)間隧道設(shè)計(jì)為雙線單洞大斷面，區(qū)間開(kāi)挖斷面寬度12m、高度9.735m。線路平面為直線型式，Az 值88°9＇3.00″，左右線路間距5.1m，隧道拱頂覆土10.3～12.2m。隧道結(jié)構(gòu)頂板埋深10.0~11.5m，結(jié)構(gòu)頂板周邊圍巖組合主要為粉細(xì)砂層、中粗砂層，修正后圍巖分類(lèi)屬VI 級(jí)圍巖，圍巖土體自穩(wěn)能力差，形成自然塌落承載拱困難，施工過(guò)程中較易引起洞頂塌落。隧道結(jié)構(gòu)邊墻圍巖組合主要為粉細(xì)砂層、中粗砂層和中粗砂（含卵石）層，修正后圍巖分級(jí)屬VI 級(jí)圍巖，巖土施工工程分級(jí)屬I(mǎi) 級(jí)，隧道結(jié)構(gòu)處于地下水位以上，不考慮地下水影響。區(qū)間隧道（地質(zhì)）縱剖圖見(jiàn)圖1。地下過(guò)街通道結(jié)構(gòu)型式為等截面現(xiàn)澆鋼筋混凝土閉合矩形框架結(jié)構(gòu)，筏板整體基礎(chǔ)，寬12m、高3.9m。通道底板距區(qū)間初支一次襯砌結(jié)構(gòu)凈距約為2m，區(qū)間拱部土層為粉細(xì)砂層。

圖1 區(qū)間隧道縱剖圖

2 數(shù)值分析模型建立

2.1 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

以留村站～火炬廣場(chǎng)站區(qū)間雙側(cè)壁導(dǎo)坑法（6 導(dǎo)洞）施工為工程背景建立計(jì)算模型，采用FLAC3D（三維有限差分程序）開(kāi)展模擬計(jì)算，考慮模型建立尺寸效應(yīng)引起的計(jì)算誤差，計(jì)算范圍?。鹤笥疫吔缛? 倍斷面寬度，下邊界取4 倍斷面高度，上邊界到地面，縱向?yàn)?4m，整個(gè)模型長(zhǎng)24m、寬62m、高38m，計(jì)算模型見(jiàn)圖2。模型底部施加固定約束、四周邊界施加水平約束、頂面自由無(wú)約束。

圖2 數(shù)值模擬模型示意圖

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

模型中土體、初期支護(hù)、二次襯砌均按照實(shí)體單元進(jìn)行模擬，土體采用彈塑性本構(gòu)模型Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則、初支和二襯均采用彈性本構(gòu)關(guān)系。超前支護(hù)小導(dǎo)管注漿加固范圍土體選取提高土體力學(xué)參數(shù)條件進(jìn)行模擬。根據(jù)勘察報(bào)告，計(jì)算用土體的力學(xué)物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土層物理性能計(jì)算指標(biāo)

超前小導(dǎo)管注漿加固范圍及支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)單元模擬計(jì)算參數(shù)

3 地表沉降特征分析

為消除邊界效應(yīng)引起的計(jì)算結(jié)果影響，選擇中間截面地層沉降進(jìn)行分析，施工各階段地層變形分析見(jiàn)圖3。

圖3 施工各階段地表沉降監(jiān)測(cè)曲線

從施工各階段拱頂沉降量變化可看出：拱頂最大沉降量在不同施工階段呈現(xiàn)量值不同的變化規(guī)律；導(dǎo)洞1、導(dǎo)洞2 上臺(tái)階開(kāi)挖后，導(dǎo)洞拱頂最大沉降量2.89mm；導(dǎo)洞1、導(dǎo)洞2 下臺(tái)階開(kāi)挖完成后，導(dǎo)洞拱頂最大沉降量3.24mm；導(dǎo)洞3、導(dǎo)洞4 開(kāi)挖完成后，拱頂最大沉降量為14.05mm；導(dǎo)洞5 上臺(tái)階開(kāi)挖完成后，洞頂最大沉降量為16.52mm；導(dǎo)洞5 下臺(tái)階開(kāi)挖完成后，洞頂最大沉降量為17.43mm；導(dǎo)洞6 開(kāi)挖完成，拱頂最大沉降量33.42mm；截?cái)嗑植颗R時(shí)支撐后，澆筑底板及兩側(cè)墻二襯，頂緊臨時(shí)支撐后，拱頂最大沉降量為35.71mm；破除剩余臨時(shí)支撐，澆筑剩余二襯結(jié)構(gòu)，形成封閉二襯，拱頂最終沉降量為42.60mm。

臨時(shí)支撐未拆除前，拱頂最大沉降量為17.74mm，拆除底部支撐后，拱頂最大沉降量為36.71mm，拱頂最終沉降量為46.91mm。可見(jiàn)拆撐引起拱頂沉降顯著。

施工完成后，不同埋深處最終沉降曲線見(jiàn)圖4。

圖4 不同埋深處沉降曲線圖

沉降槽呈“V”字形，地表最大沉降量為22.31mm。從圖4 可以看出，不同斷面處各地層沉降位移曲線均呈“V”形。地下過(guò)街通道的最大沉降值30.11mm 滿足沉降要求，可見(jiàn)對(duì)地下建筑的沉降控制效果較為理想。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降規(guī)律

留~(yú)火區(qū)間使用雙側(cè)壁6 導(dǎo)坑法進(jìn)行開(kāi)挖施工的時(shí)，在地表建立施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)施工過(guò)程開(kāi)展地表沉降變形監(jiān)測(cè)，測(cè)線長(zhǎng)60m，一共設(shè)置13 個(gè)測(cè)點(diǎn)。地下過(guò)街通道處地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5。

圖5 地下過(guò)街通道處地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

在開(kāi)挖施工期間對(duì)地表測(cè)點(diǎn)的沉降進(jìn)行觀測(cè)，由于左線測(cè)點(diǎn)在施工過(guò)程中因人為因素觀測(cè)次數(shù)偏少，考慮隧道開(kāi)挖引起的地表變形左右對(duì)稱(chēng)特征，僅對(duì)左線測(cè)點(diǎn)的沉降值生成曲線。地表監(jiān)測(cè)沉降曲線見(jiàn)圖6。

圖6 地表監(jiān)測(cè)沉降曲線圖

在圖中可觀察到：①在施工過(guò)程中引起的土層的豎向位移會(huì)不斷增大。②地表處的最大沉降量為21.04mm，位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)J-07。與數(shù)值計(jì)算結(jié)果趨近，說(shuō)明數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工具備指導(dǎo)作用。

4.2 沉降控制措施

①開(kāi)挖前選擇超前深孔注漿加固地層，加固范圍包括初襯外側(cè)2m、內(nèi)側(cè)1m，沿線路向前后5m，共24m。

②隧道采用雙側(cè)壁六導(dǎo)坑法施工。相鄰導(dǎo)洞前后錯(cuò)開(kāi)10~15m，各導(dǎo)洞采用上下臺(tái)階法施工，上下臺(tái)階距離控制在3~5m，同時(shí)各臺(tái)階基于土層自穩(wěn)狀態(tài)采用1：（0.5~0.7）放坡，核心土斷面應(yīng)等于或大于開(kāi)挖斷面的50%，核心土縱向長(zhǎng)度應(yīng)不小于3m。

③施工期間分步對(duì)掌子面進(jìn)行注漿封閉。沿隧道斷面方向，注漿導(dǎo)管間距600×600mm。導(dǎo)管單根長(zhǎng)度3.0m、沿隧道縱向注漿加固循環(huán)長(zhǎng)度3m、各注漿循環(huán)段縱向搭接1m。注漿材料選用水玻璃漿液。

④分步環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土，開(kāi)挖后分步架設(shè)鋼格柵，及時(shí)施做網(wǎng)、噴支護(hù)措施，在上部初襯保護(hù)之下開(kāi)挖下部斷面土方。施工過(guò)程嚴(yán)格控制每步開(kāi)挖循環(huán)的進(jìn)尺，不得超過(guò)設(shè)計(jì)鋼格柵間距；遇特殊困難地段，應(yīng)適當(dāng)縮短開(kāi)挖進(jìn)尺，相應(yīng)匹配縮小鋼格柵間距。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)石家莊地鐵1 號(hào)線留村站~火炬廣場(chǎng)站區(qū)間淺埋暗挖大斷面區(qū)間隧道施工的進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)，進(jìn)行了隧道施工地表以及地下建構(gòu)筑物沉降規(guī)律研究，得出以下結(jié)論：①由數(shù)值模擬可知，在施工的不同階段地表的下沉量存在較大差異。拆除下部臨時(shí)支撐及形成最終封閉二襯兩個(gè)階段的地下過(guò)街通道下沉量占地下過(guò)街通道最大下沉量的79%，所以控制這兩個(gè)階段的地層變形是減少地下建筑物最終變形的關(guān)鍵。②留~(yú)火區(qū)間選擇雙側(cè)壁六導(dǎo)坑法施工，能夠有效控制地表以及地下過(guò)街通道的沉降量，其中地表的最大沉降量為20.20mm，地下過(guò)街通道的最大沉降量21.01mm。③加強(qiáng)超前支護(hù)進(jìn)行小導(dǎo)管注漿，切實(shí)跟進(jìn)拱背空洞充填壓注漿液，是防止和減少地表沉降影響的重要技術(shù)手段。施工中，認(rèn)真進(jìn)行了超前小導(dǎo)管注漿加固，改善了土層結(jié)構(gòu)，在初襯完成后又及時(shí)進(jìn)行了拱背回填注漿，填充了初襯與圍巖的部分空隙，有效地減少了地表沉降量。