雙連拱隧道下穿既有地鐵結(jié)構(gòu)預(yù)加固方案及開挖工法比選研究

李向凱,陳禹勛,史少華,靳小酩

(1.西安灃東市政工程建設(shè)有限公司, 陜西 西安710000;2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064)

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，各地的地下空間開發(fā)建設(shè)也都在緊鑼密鼓的進(jìn)行當(dāng)中，新建隧道穿越既有建構(gòu)筑物施工已成為一種普遍的現(xiàn)象[1-5]，當(dāng)隧道穿越既有結(jié)構(gòu)時(shí)，如何降低隧道與既有結(jié)構(gòu)的相互影響作用，并保持隧道本身的穩(wěn)定性成為項(xiàng)目施工的關(guān)鍵[6-9]。

針對(duì)隧道下穿既有軌道交通的施工分析，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者做了大量的研究。趙良云等[10]對(duì)暗挖隧道“零距離”下穿的特殊工況進(jìn)行理論研究，設(shè)計(jì)出了可行的施工方案；張浩等[11]、吉艷雷[12]針對(duì)四線大斷面隧道下穿綜合管廊結(jié)構(gòu)的支護(hù)方案和開挖工法進(jìn)行研究，選比出了最佳的施工方案；張瓊方等[13]、謝雄耀等[14]、Charles等[15]、金大龍等[16]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和模型試驗(yàn)的手段進(jìn)一步研究了盾構(gòu)隧道下穿既有隧道施工過(guò)程的沉降規(guī)律、應(yīng)力特征，探討了盾構(gòu)隧道與既有結(jié)構(gòu)的相互影響機(jī)理。然而，無(wú)論是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)還是模型試驗(yàn)都需要耗費(fèi)大量的人力、物力且獲取的數(shù)據(jù)有限，而數(shù)值模擬計(jì)算正好能彌補(bǔ)這一缺陷。馬偉斌等[17]、Lin等[18]、戴軒等[19]采用有限元軟件分析了隧道下穿既有建構(gòu)筑物過(guò)程中隧道的變形規(guī)律，預(yù)估了下穿施工的風(fēng)險(xiǎn)，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。這些研究成果為隧道下穿既有軌道交通的發(fā)展起了極大的推進(jìn)作用，但是針對(duì)大跨度連拱隧道下穿地鐵結(jié)構(gòu)暗挖法施工卻少之又少，尤其是當(dāng)連拱隧道近接穿越已運(yùn)營(yíng)的地鐵時(shí)更是較少涉及。

鑒于此，以灃河?xùn)|路下穿通道工程下穿西安地鐵5號(hào)線二期工程文教園—張旺渠區(qū)間U型槽結(jié)構(gòu)為工程背景，采用數(shù)值模擬的分析手段,主要研究連拱隧道采用不同開挖和加固工法時(shí)隧道及其上部地鐵結(jié)構(gòu)的沉降變形，并選比出該項(xiàng)目的最佳施工方案。

1 工程概況

灃河?xùn)|路下穿通道工程南起昆明三路，北至西寶高速北輔道，項(xiàng)目全長(zhǎng)1 868.343 m，本文所研究西安地鐵5號(hào)線二期工程文教園—張旺渠區(qū)間U型槽及地下段位于規(guī)劃昆明二路下穿地鐵U型槽段落里程為Y(Z)DK13+618.750—Y(Z)DK13+648.250。下穿通道工程下穿地鐵5號(hào)線U型槽段位于灃河?xùn)|K0+075.32樁號(hào)處(即灃河?xùn)|路與昆明二路交叉口)，下穿段為雙連拱暗挖結(jié)構(gòu)，隧道開挖面總跨度35.14 m，高度為10.23 m，下穿長(zhǎng)度為30 m。下穿隧址區(qū)以V級(jí)圍巖為主，地質(zhì)條件較差，隧道埋深范圍主要為細(xì)砂和中砂。隧道開挖面與U型槽結(jié)構(gòu)底板豎向凈距約2.5 m，從U型槽軌道底板穿越施工對(duì)U型槽底板及側(cè)墻及安全影響巨大。如圖1所示。

圖1 擬建項(xiàng)目與地鐵結(jié)構(gòu)相互位置

2 預(yù)加固方案設(shè)計(jì)

2.1 管幕超前支護(hù)方案

管幕采用Q235螺旋焊接鋼管，直徑為Ф 402，壁厚為10 mm鋼管，沿暗挖隧道外輪廓線布設(shè)，共設(shè)置107根。鋼管兩側(cè)分別設(shè)不等邊角鋼鎖口。管幕鋼管內(nèi)灌注C30無(wú)收縮免振搗混凝土，并利用端頭2 m管幕設(shè)置回漿孔對(duì)管間鎖口進(jìn)行充填注漿，管幕鋼管可以采用泥水平衡頂管掘進(jìn)機(jī)單側(cè)頂進(jìn)。管幕結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖2 管幕結(jié)構(gòu)3D布置圖

2.2 水平旋噴樁管幕組合結(jié)構(gòu)預(yù)加固方案

在已有管幕支護(hù)方案基礎(chǔ)上，對(duì)隧道拱頂及掌子面上部進(jìn)行旋噴樁加固。拱頂旋噴樁徑80 cm，長(zhǎng)度為30 m，在拱頂120°范圍內(nèi)沿隧道開挖輪廓線環(huán)向布置。掌子面上部單洞布設(shè)22根旋噴樁，樁徑50 cm，長(zhǎng)度為20 m，采用梅花型布置。水平旋噴樁搭配管幕組合結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。

圖3 水平旋噴樁搭配管幕組合結(jié)構(gòu)布置

3 數(shù)值模擬方案

3.1 計(jì)算模型的基本假定

由于隧道暗挖段長(zhǎng)度較短，因此計(jì)算模型中沿著隧道開挖方向的長(zhǎng)度取隧道的實(shí)際長(zhǎng)度；考慮到隧道埋深較淺，模型上邊界取至地表，其余邊界均按距離隧道中心4倍單洞開挖跨度選取。最終建立的模型尺寸為115 m×62 m×30 m，地表水平且為自由邊界，模型前后左右面及底部邊界處均設(shè)置法向約束，土體及管幕、旋噴樁的本構(gòu)模型采用了摩爾-庫(kù)侖彈塑性本構(gòu)模型，其他結(jié)構(gòu)體均采用線彈性本構(gòu)模型；模型當(dāng)中，管幕通過(guò)注漿與鎖扣連接成一整體故采用實(shí)體單元模擬，另外圍巖、U 型槽、中隔墻也均采用實(shí)體單元模擬，初期支護(hù)及二襯采用板單元模擬。

3.2 計(jì)算模型的材料參數(shù)

計(jì)算模型當(dāng)中對(duì)初期支護(hù)和二襯進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅考慮初支噴混和二襯噴混的作用；同時(shí)，水平旋噴樁和管幕注漿體均通過(guò)提高隧道周邊圍巖的物理參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，材料的具體參數(shù)如表1。各預(yù)加固方案網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖4。

圖4 網(wǎng)格模型劃分

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

4 開挖工法優(yōu)化與預(yù)加固方案研究

4.1 開挖工法優(yōu)化研究

4.1.1 開挖工法模擬方案

雙連拱隧道的開挖對(duì)施工技術(shù)的挑戰(zhàn)尤為突出，當(dāng)連拱通道暗挖施工推進(jìn)過(guò)程中，掌子面會(huì)產(chǎn)生作用強(qiáng)大的土壓力、水壓力及上覆荷載，且左右洞的開挖之間會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)估的影響作用，特別當(dāng)開挖下穿軌道交通時(shí)，隧道與既有結(jié)構(gòu)之間的相互影響作用是隧道安全穿越的關(guān)鍵。本部分主要針對(duì)大跨度雙連拱隧道的開挖工法進(jìn)行優(yōu)化研究。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法隧道施工步驟如圖5和圖6所示。主要選取以下3種開挖工法進(jìn)行對(duì)比研究，左洞為先行洞，開挖循環(huán)進(jìn)尺為3 m。

圖5 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖步驟

圖6 CRD法開挖步驟

工況1：采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖。①中洞開挖及中墻施作；②左洞左導(dǎo)洞上部開挖初支及臨時(shí)支撐支護(hù)；③左洞左導(dǎo)洞下部開挖及初支施作；④左洞右導(dǎo)洞上部開挖及初支及臨時(shí)支撐施作；⑤左洞右導(dǎo)洞下部開挖及初支施作；⑥左洞中導(dǎo)洞上部開挖及初支及臨時(shí)支撐施作；⑦左洞中導(dǎo)洞下部開挖及初支施作；⑧左洞拆撐及二襯施作(右洞開挖時(shí)序同左洞)。

工況2：采用CRD法開挖。①中洞開挖及中墻施作；②左洞左導(dǎo)洞上部開挖初支及臨時(shí)支撐支護(hù)；③左洞右導(dǎo)洞上部開挖及初支撐施作；④左洞左導(dǎo)洞下部開挖及初支施作；⑤左洞右導(dǎo)洞下部開挖及初支施作；⑥左洞拆撐及二襯施作(右洞開挖時(shí)序同左洞)。

工況3：采用全斷面法開挖。中洞開挖及中墻施作-左洞開挖初支及臨時(shí)支撐支護(hù)-左洞二襯施作-右洞開挖初支及臨時(shí)支撐支護(hù)-右洞拆撐及二襯施作。

4.1.2 各開挖工法下隧道及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

取代表性斷面Y(Z)DK13+633.750(距離暗挖段起始開挖面15 m)為監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行隧道及U型槽軌道板的穩(wěn)定性分析，得到左右洞拱頂沉降隨開挖步在不同開挖方法下的變化曲線，如圖7和8所示。分析發(fā)現(xiàn)，從拱頂沉降最大值來(lái)看，三種開挖方案左洞拱頂沉降值分別為12.2 mm、13.8 mm、15.9 mm，最終值分別為10.47 mm、11.43 mm、13.97 mm。工況1在對(duì)圍巖的沉降控制方面最為理想，這是因?yàn)殡p側(cè)壁導(dǎo)坑法在進(jìn)行左右洞開挖時(shí)將斷面分塊更多，能使跨度變小，從而對(duì)隧道圍巖產(chǎn)生的擾動(dòng)更小，產(chǎn)生了更小的拱頂沉降。其中左洞拱頂沉降特點(diǎn)為：在中導(dǎo)洞開挖及中隔墻施作時(shí)，隧道左洞拱頂沉降未產(chǎn)生影響，一直維持在0 mm；在左導(dǎo)洞開挖后，拱頂沉降急劇增大，當(dāng)開挖到第21步經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，沉降增加速率達(dá)到最大，掌子面經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)斷面之后，增加微弱，隨后因?yàn)橹ёo(hù)施作的作用沉降值又逐漸回升；在右導(dǎo)洞開挖后，拱頂沉降曲線趨于水平，說(shuō)明右導(dǎo)洞開挖對(duì)左導(dǎo)洞的影響相對(duì)較小。

三種開挖方案下右洞拱頂沉降最大值分別為12.3 mm、13.92 mm、16.1 mm，最終分別為10.3 mm、11.32 mm、13.95 mm，且開挖過(guò)程的沉降曲線與左洞相似。無(wú)論是沉降最大還是最終值都呈現(xiàn)工況3>工況2>工況1的規(guī)律，可見(jiàn)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法為最合理的施工開挖工法。

圖7 左洞拱頂沉降隨開挖步變化曲線

圖8 右洞拱頂沉降隨開挖步變化曲線

同樣選取Y(Z)DK13+633.750斷面處所對(duì)應(yīng)的U型槽軌道板測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，得到了不同開挖方案下距離軌道板中心點(diǎn)-1.5D～1.5D范圍內(nèi)(D為單洞開挖跨度)各測(cè)點(diǎn)的沉降值，如圖9所示。由圖可知，三種施工方案軌道板沉降曲線都呈“倒W型”，軌道板在-1.5D～-0.9D、0.9D～1.5D處表現(xiàn)為翹曲，在-0.9D～0.9D處表現(xiàn)為沉降；三種方案軌道板沉降值在軌道板中點(diǎn)處最大，且工況3與工況1沉降差異值最大達(dá)到3.8 mm；三種方案軌道板在0.9D處翹曲值達(dá)到最大，且工況3翹曲值8.31 mm遠(yuǎn)大于工況1的4.64 mm；可見(jiàn)工況1約為工況2和工況3軌道板最大沉降的68.3%和42.4%，且工況1在軌道板中心點(diǎn)對(duì)稱位置沉降值相差較小，說(shuō)明此方案開挖雙連拱隧道先后行洞的開挖對(duì)軌道板產(chǎn)生的影響較小，具有良好的“糾偏”作用。

圖9 軌道板最終沉降曲線

4.2 預(yù)加固方案研究

4.2.1 模型監(jiān)測(cè)方案

在數(shù)值模型中分別布置了3條測(cè)線L1—L3，其中L1與L2為分別為左、右洞拱頂沉降測(cè)線，測(cè)線上分別等距布置了11個(gè)測(cè)點(diǎn)A1—A11、B1—B11；L3為U型槽軌道板沉降測(cè)線，測(cè)線上也等距布置了11個(gè)測(cè)點(diǎn)J1—J11，沉降測(cè)線布置如圖10所示。

圖10 數(shù)值模型沉降測(cè)點(diǎn)提取路徑

4.2.2 拱頂沉降分析

選取A1—A11、B1—B11各測(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象。在無(wú)預(yù)加固工法下左右洞拱頂沉降分別為圖11和圖12。由圖11可以看出無(wú)預(yù)加固工法下左洞最大拱頂沉降為42.5 mm，最小拱頂沉降為13.2 mm，拱頂沉降特點(diǎn)為：各測(cè)點(diǎn)的拱頂沉降均隨開挖的進(jìn)行逐漸增加，且各開挖進(jìn)距對(duì)應(yīng)的各測(cè)點(diǎn)沉降沿開挖方向呈減小的趨勢(shì)。說(shuō)明隨著掌子面的推進(jìn)，掌子面后方拱頂部位圍巖的松弛程度逐漸減小。對(duì)比左洞拱頂沉降，右洞拱頂沉降如圖12所示，無(wú)預(yù)加固條件下右洞拱頂沉降最大值為46.2 mm，最小值為16.9 mm，說(shuō)明先行洞的開挖在無(wú)預(yù)加固的條件下對(duì)后行動(dòng)洞的開挖產(chǎn)生的影響比較大，但后行洞拱頂沉降變化趨勢(shì)與先行洞相比變化不顯著。

圖11 無(wú)預(yù)加固左洞拱頂沉降

圖12 無(wú)預(yù)加固右洞拱頂沉降

管幕支護(hù)工法下左右洞拱頂沉降見(jiàn)圖13和圖14。由圖13可以看出，雙連拱隧道施工管幕預(yù)加固條件下左洞最大沉降為35.45 mm，大約為無(wú)預(yù)加固工法拱頂沉降的83.4%，最小沉降值接近0 mm。其拱頂沉降特點(diǎn)為：在隧道開挖0～12 m時(shí)，各測(cè)點(diǎn)拱頂沉降均逐漸增大，其中A1測(cè)點(diǎn)增幅最大，在開挖至12 m后，管幕所起的梁拱效應(yīng)開始顯現(xiàn)，具體變現(xiàn)為，掌子面后方的管幕發(fā)生明顯的向上翹曲變形[20]，而掌子面前方的管幕向下?lián)锨?，直到開挖至18 m時(shí)管幕變形達(dá)到穩(wěn)定。對(duì)比左洞拱頂沉降，右洞拱頂沉降如圖14所示，管幕支護(hù)條件下右洞拱頂沉降最大值為42.5 mm，約為左洞沉降的120%，其各測(cè)點(diǎn)沉降隨開挖步變化曲線與左洞無(wú)顯著差異。整體對(duì)比來(lái)看，管幕支護(hù)工法對(duì)于無(wú)預(yù)加固工法極大的削減了拱頂沉降的變形趨勢(shì)，且更能有效抑制拱頂圍巖松動(dòng)和垮塌，使拱頂圍巖更快的進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖13 管幕支護(hù)左洞拱頂各測(cè)點(diǎn)沉降

圖14 管幕支護(hù)右洞拱頂各測(cè)點(diǎn)沉降

管幕旋噴樁組合工法拱頂沉降見(jiàn)圖15和圖16。管幕旋噴樁組合工法左洞拱頂最大沉降值為9.28 mm，約為無(wú)預(yù)加固工法的21.8%，最小沉降值為0.7 mm，為無(wú)預(yù)加固工法的5.3%。與管幕支護(hù)工法相比，其不同點(diǎn)為：A1—A3測(cè)點(diǎn)沉降急劇增大，且增幅較其它測(cè)點(diǎn)更大；當(dāng)隧道開挖至12 m～15 m時(shí)掌子面后方拱頂變形向上翹曲，當(dāng)開挖經(jīng)過(guò)A7測(cè)點(diǎn)時(shí)，掌子面后方拱頂變形由向上翹曲變?yōu)橄蛳聯(lián)锨敝邻呌诜€(wěn)定。與管幕支護(hù)工法相比，隧道開挖拱頂翹曲產(chǎn)生的變形更小，在后行洞的推進(jìn)過(guò)程中，先行洞開挖對(duì)后行洞所產(chǎn)生的影響幾乎沒(méi)有。

圖15 管幕旋噴樁組合工法左洞拱頂沉降

圖16 管幕旋噴樁組合工法右洞拱頂沉降

4.2.3 軌道板沉降分析

選取J1—J11各測(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象，得到無(wú)預(yù)加固條件下軌道板在各關(guān)鍵開挖步時(shí)的沉降曲線如圖17所示。由圖17可以看出，中導(dǎo)洞貫通后軌道板在中導(dǎo)洞上方小部分范圍內(nèi)(J5—J7測(cè)點(diǎn)處)發(fā)生沉降，其它測(cè)點(diǎn)處表現(xiàn)為向上翹曲，且各測(cè)點(diǎn)沉降、翹曲值關(guān)于軌道板中心線對(duì)稱分布。隨著中隔墻的施作，它對(duì)中導(dǎo)洞上方圍巖所起的支撐作用使軌道板沉降趨于穩(wěn)定，沉降值接近0 mm。當(dāng)左導(dǎo)洞貫通后，軌道板沉降分布發(fā)生了很大改變，沉降沿著軌道板中心線向左導(dǎo)洞方向擴(kuò)散，最終只有J9—J11測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)為翹曲，此時(shí)軌道板沉降峰值仍然出現(xiàn)在J6測(cè)點(diǎn)處為7.3 mm。最后，當(dāng)右導(dǎo)洞貫通后，軌道板沉降重新關(guān)于軌道板中心線對(duì)稱，且右導(dǎo)洞方向各測(cè)點(diǎn)沉降、翹曲值均大于左洞，沉降最大值達(dá)到10.8 mm。

圖17 無(wú)預(yù)加固軌道板各測(cè)點(diǎn)沉降

管幕加固條件下軌道板在各關(guān)鍵開挖步時(shí)的沉降曲線如圖18所示。由圖18可看出，管幕加固條件下軌道板在各關(guān)鍵開挖步的沉降曲線變化規(guī)律與無(wú)預(yù)加固條件下相似，但管幕加固條件下軌道板各測(cè)點(diǎn)的沉降翹曲趨勢(shì)得到了緩解。其沉降曲線特點(diǎn)為：中導(dǎo)洞貫通后，各測(cè)點(diǎn)沉降翹曲值仍關(guān)于軌道板中心線對(duì)稱，沉降最大值為0.3 mm，中隔墻的施作消除了部分沉降。當(dāng)左導(dǎo)洞貫通后，沉降沿左導(dǎo)洞方向擴(kuò)散，但擴(kuò)散幅度不大。最后，隨著右導(dǎo)洞的貫通，軌道板趨于穩(wěn)定，沉降峰值達(dá)到2.8 mm為無(wú)加固條件下的25.9%。

圖18 管幕加固軌道板各測(cè)點(diǎn)沉降

管幕旋噴樁組合加固條件下軌道板在各關(guān)鍵開挖步時(shí)的沉降曲線如圖19所示，由圖19可以看出，當(dāng)中導(dǎo)洞貫通后，軌道板各測(cè)點(diǎn)均表現(xiàn)為向下沉降，說(shuō)明管幕旋噴樁在組合形式下形成了剛度較大的整體，該組合結(jié)構(gòu)能更好的抵抗上部圍巖傳遞至隧道的荷載。中隔墻的施作后，軌道板沉降再次降低，直至左導(dǎo)洞貫通，軌道板表現(xiàn)為J1—J7沉降，其他測(cè)點(diǎn)均為向上翹曲。最后，當(dāng)右導(dǎo)洞貫通后，軌道板再次發(fā)生沉降，沉降峰值達(dá)到0.34 mm，約為無(wú)加固條件下的3.14%。

圖19 管幕旋噴樁組合加固軌道板沉降

4.2.4 掌子面穩(wěn)定性分析

各加固工法的圍巖水平位移見(jiàn)圖20—圖22。取隧道左導(dǎo)洞開挖至中部時(shí)，即12 m～15 m開挖完成時(shí)，掌子面水平方向位移為研究對(duì)象。無(wú)預(yù)加固條件下，隧道開挖不僅對(duì)掌子面前方圍巖水平位移產(chǎn)生影響，掌子面后方土體也受到大范圍的擾動(dòng)，位移的峰值約為10.2 mm。管幕加固條件下，加固結(jié)構(gòu)對(duì)控制圍巖水平方向變形起到了較大作用，水平位移峰值出現(xiàn)在掌子面上臺(tái)階某點(diǎn)處，約為6.6 mm。管幕旋噴樁組合加固工法使隧道整體水平方向位移顯著減小，且有效控制了掌子面前方的穩(wěn)定性，水平位移的峰值約為1.5 mm。

圖20 無(wú)預(yù)加固工法水平位移

圖22 管幕旋噴樁組合加固工法水平位移

5 結(jié) 論

(1) 開挖工法方面：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、全斷面開挖法，三種開挖工法左洞拱頂沉最終沉降值分別為10.47 mm、11.43 mm、13.97 mm、右洞拱頂最終沉降值分別為10.3 mm、11.32 mm、13.95 mm，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法及時(shí)施作、拆除支護(hù)，能使隧道更快成環(huán)。此種開挖工法下，能盡量減小大跨度連拱隧道施工對(duì)圍巖產(chǎn)生的擾動(dòng)及對(duì)上部地鐵結(jié)構(gòu)的不利影響。

(2) 預(yù)加固方案方面：管幕旋噴樁組合加固工法和管幕加固工法條件下左洞拱頂最大沉降分別為無(wú)預(yù)加固工法的21.8%和83.4%；管幕旋噴樁組合加固工法和管幕加固工法條件下軌道板最大沉降分別為0.34 mm、2.8 mm分別為無(wú)預(yù)加固條件下的3.14%、25.9%；管幕旋噴樁組合加固工法、管幕加固工法、無(wú)預(yù)加固工法條件下掌子面水平位移峰值分別為1.5 mm、6.6 mm、10.2 mm。因此采用管幕旋噴樁組合加固方案可有效控制隧道及軌道板結(jié)構(gòu)的沉降，確保隧道掌子面前后方圍巖的穩(wěn)定。