復(fù)雜環(huán)境下既有隧道改擴(kuò)建斷面力學(xué)行為研究

戴世穎

(1. 軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(鐵一院)， 710043， 西安；2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(鐵一院)， 710043， 西安 ∥工程師)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，鐵路、地鐵、公路跟隨時(shí)代的步伐加緊建設(shè)。為滿足新時(shí)代規(guī)劃、客流、線路、運(yùn)營效益、運(yùn)輸能力等要求，部分已建成的既有線路需在附近增設(shè)新建線路；新舊線路局部位置根據(jù)行車組織、應(yīng)急救援的需求增設(shè)聯(lián)絡(luò)線，以滿足兩處線路互連互通的要求。在國內(nèi)，關(guān)于復(fù)雜環(huán)境下新舊線路聯(lián)絡(luò)線位置暗挖既有隧道改擴(kuò)建斷面工程的研究比較少，因此對(duì)聯(lián)絡(luò)線位置暗挖既有隧道改擴(kuò)建斷面進(jìn)行研究顯得尤為重要。

本文以某地鐵新舊線路聯(lián)絡(luò)線位置暗挖既有隧道改擴(kuò)建工程為依托，對(duì)暗挖既有隧道改擴(kuò)建斷面組成及力學(xué)行為進(jìn)行深入研究，采用三維數(shù)值模擬分析兩種暗挖既有隧道改擴(kuò)建斷面力學(xué)行為，對(duì)兩種改擴(kuò)建斷面從力學(xué)狀況、施工工期、工程造價(jià)等方面進(jìn)行綜合比選，提出合理可行的技術(shù)方案。研究結(jié)果可為聯(lián)絡(luò)線位置暗挖既有隧道改擴(kuò)建斷面設(shè)計(jì)提供有益參考。

1 工程背景

某地鐵暗挖既有隧道已運(yùn)營多年。暗挖既有隧道為單洞雙線馬蹄形隧道，斷面內(nèi)凈空尺寸寬10.4 m、高7.6 m。隧道地表為既有運(yùn)營停車場，該停車場為地上一層框架結(jié)構(gòu)，獨(dú)立基礎(chǔ)埋深2.4 m。地面及地上一層停車數(shù)量較多且人員密集。既有隧道頂距離停車場基礎(chǔ)底凈高約10 m，停車場基礎(chǔ)沉降控制值為8 mm。聯(lián)絡(luò)線位置隧道所處地層位于含水卵石層。根據(jù)地表停車場基礎(chǔ)沉降控制要求，本工程暗挖隧道施工時(shí)不允許有地面降水。地層巖土施工工程分級(jí)為Ⅲ級(jí)硬土，環(huán)境作用等級(jí)為V—C。根據(jù)城市規(guī)劃、客流、線路、運(yùn)營效益、運(yùn)輸能力等要求，在本工程暗挖既有隧道線路附近增設(shè)兩條新線路，新舊線路之間設(shè)置1處聯(lián)絡(luò)線，既有隧道與新建隧道平面關(guān)系如圖1所示。

圖1 既有隧道與新建隧道平面關(guān)系圖Fig.1 Planar relationship between existing tunnel and new tunnel

2 暗挖既有隧道改擴(kuò)建結(jié)構(gòu)布置方案

在聯(lián)絡(luò)線位置，暗挖既有隧道改擴(kuò)建的施工工法一般有明挖法和暗挖法。本工程聯(lián)絡(luò)線地表為既有停車場，聯(lián)絡(luò)線位置暗挖既有隧道改擴(kuò)建采用明挖法施工時(shí)需對(duì)地表停車場進(jìn)行拆除，鑒于停車場拆除代價(jià)較大，明挖法施工不可行。聯(lián)絡(luò)線位置暗挖既有隧道改擴(kuò)建擬采用暗挖法施工，在地表停車場周邊設(shè)置1座施工豎井，在聯(lián)絡(luò)線中部設(shè)置1處橫通道，供暗挖隧道工作面開挖使用。根據(jù)線路平面路徑及暗挖隧道限界要求，聯(lián)絡(luò)線位置隧道平面布置形式如圖2所示。

圖2 聯(lián)絡(luò)線位置隧道平面布置圖Fig.2 Layout plan of link line and tunnel

根據(jù)聯(lián)絡(luò)線位置擬定的隧道平面布置圖，既有隧道改擴(kuò)建斷面內(nèi)凈寬約16 m，寬度比既有隧道增加5.6 m。由于地表環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源、含水卵石地層(不可降水)等因素，本工程暗挖偏心既有隧道分步擴(kuò)建的方式與其它既有隧道擴(kuò)建方式相比，隧道改擴(kuò)建斷面類型及受力狀況有所差別，偏心隧道擴(kuò)建對(duì)周邊地層及地表建筑物沉降影響較大。即使在隧道徑向注漿加固、建筑物基礎(chǔ)加固等措施下進(jìn)行隧道擴(kuò)建開挖，周邊地層及地表停車場基礎(chǔ)沉降模擬計(jì)算值仍然不滿足規(guī)范要求，因此本工程需采用其他改擴(kuò)建方式。

結(jié)合國內(nèi)擴(kuò)建隧道實(shí)施案例及經(jīng)驗(yàn)[1-2]，本工程根據(jù)暗挖隧道地質(zhì)及地表環(huán)境、限界空間要求、新舊隧道斷面組合形式、隧道開挖方式等因素進(jìn)行方案綜合比選，擬采用兩種隧道改擴(kuò)建斷面設(shè)計(jì)方案，其斷面形式分別為：方案1為保留既有隧道半側(cè)斷面，鑿除其余斷面，新建斷面與保留斷面中部設(shè)置中隔墻；方案2為鑿除既有隧道整個(gè)斷面，新建擴(kuò)建斷面包絡(luò)既有隧道。兩種方案斷面形式如圖3所示。

單位：mm圖3 既有隧道改擴(kuò)建兩種方案斷面圖Fig.3 Cross section of two schemes for reconstruction and expansion of existing tunnel

3 改擴(kuò)建斷面工程力學(xué)行為研究

3.1 實(shí)施時(shí)序研究

聯(lián)絡(luò)線位置上方為既有停車場風(fēng)險(xiǎn)源，方案1斷面施工需考慮地表環(huán)境因素并滿足新建隧道開挖風(fēng)險(xiǎn)的要求。為保證既有隧道結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定，參照國內(nèi)大斷面隧道及擴(kuò)建隧道施工經(jīng)驗(yàn)[3-5]，方案1既有隧道改擴(kuò)建斷面開挖擬實(shí)施時(shí)序：① 施工既有隧道中隔墻，中隔墻與既有隧道二襯采用植筋連接；② 采用環(huán)向及豎向工字鋼支撐加固既有隧道；③ 開挖擴(kuò)建隧道初支，開挖過程中不鑿除既有隧道初支及二襯；④ 施工擴(kuò)建隧道二襯，待二襯施工完畢后鑿除既有隧道初支及二襯。方案1既有隧道改擴(kuò)建斷面開挖步序示意圖詳見圖4。

方案2既有隧道改擴(kuò)建斷面開挖擬實(shí)施時(shí)序：① 對(duì)既有隧道采用低標(biāo)號(hào)泡沫混凝土回填；② 待回填強(qiáng)度滿足要求后采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖既有隧道改擴(kuò)建斷面；③ 既有隧道初支及二襯隨周邊土體逐榀開挖鑿除，完成改擴(kuò)建斷面初支及二襯。

3.2 工程力學(xué)行為研究

根據(jù)兩種暗挖既有隧道改擴(kuò)建斷面結(jié)構(gòu)形式及施工時(shí)序，結(jié)合國內(nèi)大斷面暗挖隧道及擴(kuò)建對(duì)地面建筑物的影響論證經(jīng)驗(yàn)[6]，分別對(duì)兩種方案的工程力學(xué)行為進(jìn)行研究，通過三維數(shù)值模擬分析，得出隧道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置在各施工時(shí)序的位移值及相應(yīng)地表停車場基礎(chǔ)沉降值，并形成詳細(xì)計(jì)算結(jié)果。

方案1暗挖既有隧道改擴(kuò)建斷面整體建模沉降計(jì)算結(jié)果中，施工階段斷面拱頂最大沉降值8.96 mm，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果如圖5所示；新建隧道與既有隧道連接處最大沉降4.53 mm，停車場基礎(chǔ)底部最大沉降值3.85 mm，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

a) 隧道斷面

圖6 方案1既有隧道改擴(kuò)建斷面拱頂及連接點(diǎn)處、停車場基礎(chǔ)底沉降曲線圖Fig.6 Settlement curve of arch crown and connection point of existing tunnel reconstruction and expansion section and foundation bottom of parking lot

方案2暗挖既有隧道改擴(kuò)建斷面整體建模沉降計(jì)算結(jié)果中，施工階段斷面拱頂最大沉降值11.17 mm，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果如圖7所示；斷面拱腰最大沉降值4.51 mm，停車場基礎(chǔ)底部最大沉降值6.31 mm，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

a) 隧道斷面

圖8 方案2既有隧道改擴(kuò)建斷面拱頂及連接點(diǎn)處、停車場基礎(chǔ)底沉降計(jì)算結(jié)果Fig.8 Settlement calculation results of arch crown and connection point of existing tunnel reconstruction and expansion section and foundation bottom of parking lot in scheme 2

由兩種斷面力學(xué)行為三維數(shù)值模擬結(jié)果可知，方案1和方案2隧道洞身及地表停車場基礎(chǔ)沉降值均滿足要求(隧道洞身及停車場基礎(chǔ)沉降控制值分別為20 mm和8 mm)。由于方案1既有隧道內(nèi)設(shè)置了中隔墻及臨時(shí)支撐，并對(duì)新建隧道分四部分開挖，降低了開挖跨度，有效地控制了周邊地層沉降；方案2大斷面采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，雖然隧道分為左、右、中三部分開挖，但整體開挖跨度稍大，隧道拱頂及地表停車場基礎(chǔ)沉降值略大于方案1。

4 兩種方案綜合比選

4.1 投資造價(jià)

方案1主要土建工程量有：新建既有隧道中隔墻、既有隧道內(nèi)撐加固、擴(kuò)建隧道開挖、初支、二襯施工、鑿除既有隧道半側(cè)初支及二襯。方案2主要土建工程量有：既有隧道回填、擴(kuò)建隧道開挖、初支、鑿除既有隧道初支及二襯、擴(kuò)建隧道二襯。兩種方案斷面每延米主要工程數(shù)量(不含風(fēng)險(xiǎn)源及土體加固)詳見表1。

表1 兩種方案每延米主要工程數(shù)量Tab.1 Main quantities per linear meter of two schemes

按現(xiàn)階段材料單價(jià)計(jì)算，方案2每延米造價(jià)約30萬元，方案1每延米造價(jià)約20萬元，方案2比方案1每延米造價(jià)增加約10萬元。

4.2 施工難易程度及工期

方案1開挖步序較為復(fù)雜，涉及既有隧道及新建隧道的施工，主要施工難點(diǎn)為：① 既有隧道中隔墻長距離高空作業(yè)植筋施工，且中隔墻植筋間距小、鋼筋密集(間距10 cm)、操作精度要求高；② 既有隧道洞內(nèi)鋼支撐加固時(shí)需保護(hù)既有隧道二襯及中隔墻施工，鋼支撐與二襯內(nèi)壁、鋼支撐與中隔墻之間的連接面精度要求高，不可出現(xiàn)受力尖銳點(diǎn)以免破壞二襯、中隔墻混凝土；③ 擴(kuò)建隧道頂部及底部初支、二襯施工困難，包括土體開挖操作空間小、施工風(fēng)險(xiǎn)較高，新舊隧道初支鋼筋焊接操作難度高，頂部及底部新建隧道二襯施工空間小、植筋難度較大；④ 既有隧道初支及二襯鑿除施工時(shí)需保護(hù)新建隧道二襯及既有隧道內(nèi)新建中隔墻，為避免破壞兩處植筋鋼筋，需采用混凝土局部切割方案，操作精度要求高。方案1新建隧道操作空間小、新舊隧道連接處關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)較多，預(yù)計(jì)本方案施工進(jìn)度為8～10 m/月。

與方案1對(duì)比，方案2開挖步序更簡潔明了，其回填混凝土工序簡單，開挖新建的擴(kuò)建隧道工法成熟，施工難點(diǎn)主要在于鑿除既有隧道的初支及二襯工程量較多，需采用精度較高的免爆或切割機(jī)。方案2開挖前回填混凝土及開挖階段鑿除既有隧道全部初支及二襯所需時(shí)間稍長，預(yù)計(jì)本方案施工進(jìn)度為15 m/月。

4.3 施工質(zhì)量

方案1實(shí)施步序較多，質(zhì)量控制關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)主要有：① 新舊隧道初支及二襯連接質(zhì)量；② 新舊隧道防水部位搭接質(zhì)量；③ 新建工程鋼筋植筋質(zhì)量；④ 既有隧道初支及二襯鑿除質(zhì)量。根據(jù)三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，方案1上述關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的施工質(zhì)量要求較高，需嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙及規(guī)范規(guī)程執(zhí)行。質(zhì)量控制不合格時(shí)易出現(xiàn)組合斷面永久結(jié)構(gòu)局部受力，造成應(yīng)力集中和局部破壞狀況；關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)連接質(zhì)量不合格時(shí)，將導(dǎo)致暗挖隧道后期出現(xiàn)漏水、鋼筋腐蝕、混凝土剝落掉塊等次生災(zāi)害，影響隧道的使用壽命，間接增加后期隧道維修成本。

方案2主要的質(zhì)量關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為既有隧道頂部泡沫混凝土回填的密實(shí)度。既有隧道頂部泡沫混凝土不密實(shí)回填可能導(dǎo)致新建隧道開挖階段既有隧道頂部出現(xiàn)塌方狀況。根據(jù)三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，新建隧道斷面開挖前需注重隧道超前支護(hù)質(zhì)量，控制隧道開挖步距及超挖，加強(qiáng)施工期間隧道洞內(nèi)及地表沉降監(jiān)測，做到信息化施工。

4.4 綜合比較

對(duì)兩種方案從施工步序、受力特征、投資造價(jià)、施工工期、施工難易程度、施工質(zhì)量控制等方面進(jìn)行綜合比較，結(jié)果如表2所示。

表2 兩種隧道改擴(kuò)建斷面設(shè)計(jì)方案綜合比較Tab.2 Comprehensive comparison of two schemes of tunnel section reconstruction and expansion design

5 結(jié)語

本文對(duì)聯(lián)絡(luò)線位置既有隧道改擴(kuò)建斷面的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，應(yīng)用Midas Gts軟件對(duì)兩種隧道改擴(kuò)建斷面設(shè)計(jì)方案的斷面力學(xué)行為進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)兩種方案的開挖步序、受力特征、投資造價(jià)、施工工期、施工質(zhì)量控制進(jìn)行綜合對(duì)比，得出如下結(jié)論：

1) 兩種方案開挖工序?qū)χ苓呁馏w及地表沉降值均滿足要求。由于斷面尺寸原因，方案2開挖引起隧道及地表沉降值略高。方案1開挖組合斷面復(fù)雜，受力節(jié)點(diǎn)較多，各節(jié)點(diǎn)施工應(yīng)確保工程質(zhì)量，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中。

2) 兩種方案對(duì)既有隧道改擴(kuò)建斷面的隧道開挖均需采用強(qiáng)支護(hù)、短進(jìn)尺、快封閉的方式實(shí)施，需對(duì)地表環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源做好相關(guān)的加固措施，整個(gè)工程需做好必要的應(yīng)急預(yù)案。

3) 方案1前期投資少、施工難度大、施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及工程質(zhì)量控制點(diǎn)較多、工期較長，方案2前期投資多、施工難度小、施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及工程質(zhì)量控制點(diǎn)較少、工期稍短。

4) 方案1擴(kuò)建斷面土建實(shí)施階段投資少。對(duì)工程工期無特殊要求、能夠有效控制地面環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源、且施工質(zhì)量及管理水平較為精細(xì)化的相似工程，可借鑒此方案實(shí)施。本方案存在工期延遲、后期隧道質(zhì)量維修等風(fēng)險(xiǎn)，或增加本方案的綜合投資。

5) 方案2擴(kuò)建斷面土建實(shí)施階段投資多。對(duì)工程工期有一定要求、能夠有效控制地面環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源的相似工程，可借鑒此方案實(shí)施。