淺埋連拱隧道施工動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征研究①

陳 兆，王海林，蔣 源

（湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410200）

明挖基坑因具有高效、快速、容易組織施工等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于地鐵車站建設(shè)中，而實(shí)際建造過程中，面對(duì)管線遷改量大、交通疏解困難、周邊建筑物眾多等復(fù)雜施工環(huán)境，大規(guī)模基坑開挖難以實(shí)施，局部連拱隧道暗挖方法應(yīng)運(yùn)而生。暗挖隧道由于需要下穿建筑、管線等設(shè)施，其自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及不同施工方案均對(duì)上部環(huán)境有一定影響，因此，研究其動(dòng)態(tài)施工過程具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［1?13］。

本文以廣東某地鐵車站工程為實(shí)際依托，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與三維數(shù)值模擬相結(jié)合的方法重點(diǎn)研究連拱隧道中導(dǎo)洞法開挖過程中圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)、中隔墻等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況以及地表沉降等指標(biāo)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，研究結(jié)果可為淺埋連拱隧道暗挖施工關(guān)鍵部位的確定提供指導(dǎo)。

1 工程概況

地鐵車站有效站臺(tái)中心里程為YDK8＋711.600，起點(diǎn)里程為YDK8＋292.340，終點(diǎn)里程為YDK8＋807.000。其中YDK8＋292.340～YDK8＋378.340為86 m暗挖段，該段為單層雙連拱隧道，標(biāo)準(zhǔn)段寬24.86 m、高11.24 m、埋深21.17 m，采用中導(dǎo)洞法施工。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(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層以及微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。根據(jù)“短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉”原則，隧道中導(dǎo)洞分臺(tái)階開挖，臺(tái)階高度由上至下依次為4.8 m、2.7 m、1.1 m；側(cè)洞采用CRD法開挖。連拱隧道開挖順序見圖1。

圖1 連拱隧道開挖順序

2 數(shù)值模型建立

為研究連拱隧道中導(dǎo)洞法施工過程中隧道洞身及周邊地層動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，利用數(shù)值模擬軟件構(gòu)建了如圖2所示的有限元模型。模型尺寸175 m×60 m×65 m，隧道至側(cè)部邊界圍巖寬度取3倍洞跨，至底部邊界取3倍洞高［10］，為提高模擬精度，對(duì)隧道周邊網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，最終模型被劃分為約6.9萬個(gè)單元。

圖2 連拱隧道數(shù)值模型

數(shù)值模型地層采用Mohr?Coulomb本構(gòu)關(guān)系，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)關(guān)系，對(duì)地層和支護(hù)結(jié)構(gòu)賦予的計(jì)算參數(shù)見表1。模擬過程中，模型底部邊界設(shè)置豎向位移約束，側(cè)面設(shè)置法向位移約束，上表面為自由面，計(jì)算荷載考慮圍巖自重。

表1 地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

3 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征分析

3.1 圍巖應(yīng)力重分布狀態(tài)分析

圖3為中導(dǎo)洞開挖過程中隧道周邊圍巖應(yīng)力重分布狀態(tài)。中導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖，開挖卸荷作用導(dǎo)致原土體承受的地應(yīng)力轉(zhuǎn)移至硐室兩側(cè)壁，隨中臺(tái)階和下臺(tái)階開挖，應(yīng)力集中區(qū)域不斷向下延伸，但應(yīng)力最大值僅由0.84 MPa增大至1 MPa，原因在于上臺(tái)階開挖已釋放一部分地應(yīng)力，中下臺(tái)階開挖對(duì)周邊圍巖影響相對(duì)較小。圖3（d）顯示，中導(dǎo)洞貫通后應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在中導(dǎo)洞的兩豎直側(cè)壁處，最大值約1 MPa，隨距離側(cè)壁位置變遠(yuǎn)，應(yīng)力不斷降低。

左側(cè)洞CRD法開挖圍巖應(yīng)力分布見圖4。左洞左上臺(tái)階的開挖導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)域向左側(cè)擴(kuò)展，此時(shí)側(cè)洞左側(cè)接近拱腰處以及開挖上臺(tái)階與中導(dǎo)洞之間的區(qū)域均分布有較大的應(yīng)力；左洞左下臺(tái)階開挖導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)域增大，側(cè)洞拱腰部位以及右上、右下臺(tái)階處均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；左洞右上臺(tái)階開挖導(dǎo)致側(cè)洞圍巖喪失大部分承載能力，地應(yīng)力明顯向中隔墻轉(zhuǎn)移，此時(shí)右上臺(tái)階掌子面、右下臺(tái)階以及中隔墻偏向左側(cè)洞方向均出現(xiàn)了最大應(yīng)力，并隨右下臺(tái)階開挖圍巖應(yīng)力增大繼續(xù)增大。本研究中，右側(cè)洞開挖圍巖應(yīng)力變化規(guī)律與左側(cè)洞相似，隨右洞開挖中隔墻應(yīng)力不斷增大。

圖4 左側(cè)洞CRD法開挖圍巖應(yīng)力分布

圖5為隧道施工完成后周邊圍巖應(yīng)力分布云圖。此時(shí)地應(yīng)力主要由中隔墻及支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)，中隔墻上最大應(yīng)力達(dá)到7.03 MPa，側(cè)洞拱腰及拱頂部位同樣存在應(yīng)力集中，大小0.70～1.55 MPa。

圖5 隧道施工完成后周邊圍巖應(yīng)力分布

（a）中導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖；（b）中導(dǎo)洞中臺(tái)階開挖；（c）中導(dǎo)洞下臺(tái)階開挖；（d）中導(dǎo)洞開挖完成

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

圖6為側(cè)洞開挖完成后支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀態(tài)，圖中表明側(cè)洞靠近中導(dǎo)洞的上下臺(tái)階部位均出現(xiàn)了拉應(yīng)力，且上臺(tái)階初支結(jié)構(gòu)受拉特征更為明顯，達(dá)到1.67 MPa。壓應(yīng)力則主要集中在側(cè)洞遠(yuǎn)離中導(dǎo)洞的上臺(tái)階部位，該部位的壓應(yīng)力最大可達(dá)4.48 MPa。相比而言，側(cè)洞遠(yuǎn)離中導(dǎo)洞的下臺(tái)階部位在支護(hù)結(jié)構(gòu)中受力最小。

圖6 初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

3.3 中隔墻應(yīng)力變化分析

作為連拱隧道的核心區(qū)域，中隔墻對(duì)于施工以及后期運(yùn)營過程中連拱隧道的安全穩(wěn)定具有重要作用，分析隧道施工不同環(huán)節(jié)中隔墻應(yīng)力變化情況，可以有效防止不可逆轉(zhuǎn)的傾覆。為了獲取隧道施工過程中中隔墻應(yīng)力變化規(guī)律，分別在洞口處中隔墻頂縱梁、中柱以及底縱梁布置測(cè)點(diǎn)，獲取側(cè)洞開挖階段中隔墻應(yīng)力變化曲線如圖7所示。圖中橫坐標(biāo)“施工階段”代表施工步，即每步長導(dǎo)洞開挖或支護(hù)結(jié)構(gòu)施工即為一個(gè)施工階段。觀察發(fā)現(xiàn)，3條曲線形態(tài)相似，施工階段23～25和28～30應(yīng)力增大明顯，原因在于這兩個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)左洞靠近中導(dǎo)洞上下臺(tái)階以及右洞靠近中導(dǎo)洞上下臺(tái)階的開挖，結(jié)合圍巖應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化分析結(jié)果可知，這兩個(gè)階段側(cè)洞與中導(dǎo)洞臨空面連通，地應(yīng)力被轉(zhuǎn)移至初支結(jié)構(gòu)及中隔墻上，中隔墻應(yīng)力增幅明顯，而在掌子面遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)面20 m后曲線保持水平，表明該處掌子面施工已對(duì)中隔墻無影響。圖中顯示，中隔墻底縱梁承受應(yīng)力最大而頂縱梁承受應(yīng)力最小，因此需要注意提高底縱梁施工質(zhì)量，保證中隔墻承載能力。

圖7 中隔墻應(yīng)力變化曲線

3.4 地表沉降規(guī)律

為研究淺埋連拱隧道中導(dǎo)洞法開挖過程地層動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，選取30 m處隧道斷面作為監(jiān)測(cè)面，在其地表布置監(jiān)測(cè)線并將隧道開挖過程中地表沉降數(shù)據(jù)繪制成如圖8所示的沉降曲線。沉降曲線呈正態(tài)分布，中導(dǎo)洞開挖至監(jiān)測(cè)面時(shí)，中導(dǎo)洞軸線處沉降值最大，為1.61 mm；左洞開挖出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象，地表沉降最大部位向左側(cè)洞偏移，左洞開挖至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)沉降最大值達(dá)到3.38 mm；右洞開挖對(duì)稱臨空面的出現(xiàn)逐漸消除偏壓現(xiàn)象，沉降最大部位再次轉(zhuǎn)移至隧道軸線處，沉降值為6.50 mm；隧道施工完成后地表最大沉降值為7.20 mm，沉降最大部位位于隧道軸線處，且隨地層遠(yuǎn)離隧道軸線沉降值逐漸減小，在測(cè)點(diǎn)至隧道軸線距離大于25 m后地表幾乎不受隧道開挖影響。另外，由于側(cè)洞斷面尺寸大于中導(dǎo)洞，其對(duì)地表產(chǎn)生的影響更為顯著，中導(dǎo)洞開挖至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)沉降值增大了1.61 mm，而右洞開挖至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)沉降值增大了4.89 mm。側(cè)洞施工過程中應(yīng)適當(dāng)增大監(jiān)測(cè)頻率。

圖8 地表沉降曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

為掌握連拱隧道暗挖施工對(duì)地表環(huán)境的影響并驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，采用鉆孔方式在地面埋設(shè)沉降測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距5 m，隧道上方適當(dāng)加密，對(duì)車站周邊70 m范圍地表沉降情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，地表沉降測(cè)點(diǎn)埋設(shè)示意見圖9。

圖9 地表沉降測(cè)點(diǎn)埋設(shè)示意（單位：mm）

根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)度，目前僅中導(dǎo)洞開挖至監(jiān)測(cè)斷面，圖10為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)曲線與模擬曲線的對(duì)比。由于現(xiàn)場(chǎng)工程環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)測(cè)干擾因素多，且地層并非標(biāo)準(zhǔn)層狀分布，模擬沉降最大值1.61 mm，小于實(shí)際監(jiān)測(cè)得到的2.65 mm，但模擬曲線較好地反映了地表沉降規(guī)律以及開挖影響范圍，故可以利用數(shù)值模擬手段獲取淺埋連拱隧道開挖過程中地表沉降規(guī)律，排查安全隱患，為暗挖施工提供指導(dǎo)意見。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)曲線與模擬曲線

5 結(jié) 論

針對(duì)淺埋連拱隧道暗挖施工穩(wěn)定性問題，以實(shí)際工程為依托，研究了隧道開挖過程中圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)、中隔墻等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況以及地表沉降等指標(biāo)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，獲得以下結(jié)論：

1）中導(dǎo)洞開挖過程中，上臺(tái)階開挖對(duì)圍巖應(yīng)力影響較明顯，達(dá)0.84 MPa，隧道完成后地應(yīng)力主要由中隔墻及支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)，中隔墻上最大應(yīng)力達(dá)7.03 MPa，側(cè)洞拱腰及拱頂部位同樣存在應(yīng)力集中，大小為0.70～1.55 MPa；側(cè)洞靠近中導(dǎo)洞的上臺(tái)階初支結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力達(dá)1.67 MPa，側(cè)洞遠(yuǎn)離中導(dǎo)洞的上臺(tái)階初支結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力達(dá)4.48 MPa；側(cè)洞靠近中導(dǎo)洞側(cè)臺(tái)階開挖時(shí)中隔墻應(yīng)力增幅明顯，掌子面遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)面20 m后施工已對(duì)中隔墻無影響，中隔墻底縱梁承受應(yīng)力最大；左側(cè)洞開挖會(huì)出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象，最終地表沉降最大部位位于隧道軸線處，沉降最大值為7.20 mm，沉降區(qū)域半徑約25 m。2）將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，模擬沉降最大值小于實(shí)際監(jiān)測(cè)值，但模擬曲線較好地反映了地表沉降規(guī)律以及開挖影響范圍。