重慶深埋特大斷面隧道變形特征及施工工法比選

朱鵬霖 申玉生 連正 吳康 宗志栓 邱澤剛

1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2.中鐵十五局集團(tuán)有限公司，上海 200040

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)隧道及地下工程得到了前所未有的發(fā)展，地鐵、市政等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐漸向長(zhǎng)距離、大跨度、深部發(fā)展，對(duì)大跨度地下工程施工技術(shù)提出了新的要求［1-2］。

學(xué)者們對(duì)大跨度地下工程施工方法開(kāi)展了研究，并取得豐碩成果。李博融等［3］采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和數(shù)值模擬方法，研究了不同施工方法下特大跨度層狀巖體隧道的施工動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。李克先等［4］分析拱蓋法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和臺(tái)階法的優(yōu)缺點(diǎn)，給出了硬巖條件下工法選擇建議。羅文斌等［5］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和理論分析研究了超大跨度隧道采用中隔壁法施工時(shí)中隔壁內(nèi)力變化規(guī)律。姜封國(guó)等［6］通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析了特大斷面隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和交叉中隔墻法施工時(shí)圍巖變形和受力變化規(guī)律。關(guān)寶樹(shù)［7］根據(jù)軟弱圍巖隧道變形的基本規(guī)律，系統(tǒng)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外控制隧道開(kāi)挖后變形的基本對(duì)策。

本文以重慶軌道交通18號(hào)線歇臺(tái)子站為依托，對(duì)比深埋條件下不同施工方法所引起的圍巖變形和應(yīng)力分布，為城市深埋大跨隧道施工方法選擇提供參考。

1 工程概況

重慶軌道交通18號(hào)線歇臺(tái)子地下工程由歇臺(tái)子車站與富華路站—歇臺(tái)子站區(qū)間隧道組成。由于該工程只有車站部分符合特大斷面隧道特征，因此本文僅研究車站部分。該地下兩層車站（圖1）開(kāi)挖寬度25.3 m，開(kāi)挖高度21.8 m，開(kāi)挖面積492.84 m2。車站拱頂埋深19.65～40.38 m。支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 車站的標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：m）

表1 車站支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

車站穿越地層為早二疊世中風(fēng)化砂巖和砂質(zhì)泥巖。隧址區(qū)地處構(gòu)造剝蝕丘陵地帶，地貌形態(tài)較簡(jiǎn)單，巖體裂隙不發(fā)育～較發(fā)育，地下水總體較貧乏，設(shè)計(jì)時(shí)地下水可不予考慮。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立及參數(shù)選取

采用有限元差分軟件FLAC 3D建立模型?？紤]開(kāi)挖影響范圍，模型水平方向取至車站兩邊墻外側(cè)3倍開(kāi)挖跨度。模型尺寸為172.9 m（x）×100.0 m（y）×136.0 m（z），如圖2所示。

圖2 整體計(jì)算模型（單位：m）

模型共劃分為220 700個(gè)單元和231 336個(gè)節(jié)點(diǎn)，滿足計(jì)算精度的要求。模型左右邊界約束水平位移，底部邊界約束豎向位移，上表面為自由邊界。

依據(jù)地勘報(bào)告該車站圍巖主要為Ⅳ級(jí)軟巖。圍巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2.2 車站開(kāi)挖方案

目前特大斷面隧道開(kāi)挖采用分部開(kāi)挖法。分部開(kāi)挖法包括臺(tái)階法、環(huán)形開(kāi)挖留核心土法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁法、交叉中隔壁（Cross Diaphragm，CRD）法等［8-12］。本文針對(duì)該工程特點(diǎn)選定了臺(tái)階法、CRD法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法三種開(kāi)挖工法，對(duì)比開(kāi)挖效果。

方案1為不采用臨時(shí)支護(hù)的臺(tái)階法，方案2為采用臨時(shí)支護(hù)的CRD法，方案3為采用臨時(shí)支護(hù)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。三種方案開(kāi)挖順序見(jiàn)圖3。

圖3 車站開(kāi)挖順序

開(kāi)挖縱斷面見(jiàn)圖4。其中，Y為數(shù)值模型中y=50 m處的監(jiān)測(cè)斷面。隧道按照小斷面的數(shù)字順序向前循環(huán)開(kāi)挖，各個(gè)小斷面按照順序完成一次開(kāi)挖為一個(gè)循環(huán)，循環(huán)進(jìn)尺為1 m。Y′表示一個(gè)循環(huán)開(kāi)挖完成時(shí)的斷面。隨著隧道開(kāi)挖Y′不斷往前移動(dòng)，Y′與Y之間的距離用W表示。

圖4 開(kāi)挖縱斷面示意

2.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比與分析

施工至25步時(shí)，三個(gè)方案中的小斷面①均開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)斷面；施工至35步時(shí)，方案2中的W=0；當(dāng)施工至41步時(shí)，方案1和方案3中的W=0；施工至47步時(shí)，方案1和方案3的Y′斷面到達(dá)W=0.5L（L為隧道開(kāi)挖跨度25.3 m）處，方案2的Y′斷面到達(dá)W=1.0L處；施工至53步時(shí)，方案1和方案3的Y′斷面到達(dá)W=1.0L處，方案2的Y′斷面到達(dá)W=1.5L處；施工至59步時(shí)，方案1和方案3的Y′斷面到達(dá)W=1.5L處。

不同方案下隧道位移隨施工步變化曲線見(jiàn)圖5。

圖5 隧道位移隨施工步變化曲線

由圖5可知：①施工至25步時(shí)，隧道拱頂、仰拱和邊墻均已產(chǎn)生位移。②三種方案拱頂沉降曲線最大斜率均出現(xiàn)在41步之前，41～53步拱頂沉降持續(xù)增大，在53步之后逐漸趨于平緩，表明隧道拱頂沉降會(huì)在一個(gè)循環(huán)開(kāi)挖完成后，斷面后方約1.0L（方案3）處逐漸趨于平穩(wěn)。因此，在特大斷面沒(méi)有完全開(kāi)挖時(shí)，各小斷面的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)及時(shí)封閉成環(huán)，以抑制拱頂沉降持續(xù)增大。③仰拱隆起曲線在41步之前仍大幅增加，47步之后迅速趨于平緩，表明隧道仰拱隆起會(huì)在一個(gè)循環(huán)開(kāi)挖完成后，斷面后方約0.5L（方案3）處趨于穩(wěn)定。因此，可以在該范圍內(nèi)采用配重、施作仰拱等措施降低仰拱隆起。④方案3拱頂沉降、仰拱隆起均比其他兩種方案??；方案2和方案3水平收斂曲線接近，而方案1水平收斂相對(duì)較大且變形穩(wěn)定時(shí)間延后。

不同方案下襯砌最大主應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)圖6。正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。可知：方案1—方案3最大拉應(yīng)力分別為2.43、3.41、4.56 MPa，最大壓應(yīng)力分別為0.36、6.14、8.34 MPa。方案3仰拱處拉應(yīng)力最大，易產(chǎn)生襯砌裂縫，施工時(shí)應(yīng)對(duì)襯砌部位進(jìn)行加強(qiáng)。

圖6 不同方案下襯砌所受最大主應(yīng)力對(duì)比（單位：Pa）

不同方案下監(jiān)測(cè)斷面襯砌彎矩對(duì)比見(jiàn)圖7?？芍悍桨?襯砌彎矩分布基本對(duì)稱，左拱肩彎矩最小，右拱腳彎矩最大；方案2襯砌彎矩分布不對(duì)稱，右拱腳彎矩最大；與前兩種方案相比，方案3仰拱以及左右拱腳處彎矩大幅增加；三種方案襯砌彎矩最大值均位于拱腳，因此應(yīng)對(duì)隧道拱腳襯砌進(jìn)行加強(qiáng)。

圖7 不同方案下斷面Y襯砌彎矩對(duì)比（單位：kN·m）

由三種方案的對(duì)比可知，方案3（雙側(cè)壁導(dǎo)坑法）仰拱隆起、拱頂沉降均比其他兩種方案??；方案3襯砌彎矩大于其他兩種方案，是因?yàn)楣绊?、拱腳和仰拱產(chǎn)生了應(yīng)力集中，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)應(yīng)對(duì)該部位襯砌予以加強(qiáng)。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

根據(jù)三種分部開(kāi)挖法的分析結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，施工單位選擇了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。施工現(xiàn)場(chǎng)共布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，對(duì)應(yīng)的里程分別為CK12+610、CK12+650、CK12+700、CK12+740。本 文 對(duì) 斷 面CK12+610處監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 鋼拱架應(yīng)力

鋼拱架應(yīng)力時(shí)程曲線見(jiàn)圖8?？芍孩黉摴凹軆?nèi)、外側(cè)受力在0～14 d迅速增長(zhǎng)直至穩(wěn)定。②鋼拱架內(nèi)外側(cè)均處于受壓狀態(tài)。最大壓應(yīng)力為39.4 MPa，位于鋼拱架內(nèi)側(cè)，小于鋼拱架抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

圖8 鋼拱架應(yīng)力時(shí)程曲線

3.2 圍巖位移

圍巖位移時(shí)程曲線見(jiàn)圖9。其中測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3分別距掌子面1、3、5 m?？芍孩倬嗾谱用嬖浇鼑鷰r位移越大，3個(gè)測(cè)點(diǎn)處圍巖位移均是前7 d變化速率較大，之后逐漸趨于穩(wěn)定。②拱頂沉降、邊墻水平收斂最大值分別為17.48、8.54 mm。

圖9 圍巖位移時(shí)程曲線

4 結(jié)論

1）城市深埋特大斷面隧道采用分部開(kāi)挖時(shí)，與臺(tái)階法和交叉中隔墻法比，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱頂沉降較小，對(duì)隧道變形的控制效果較好。

2）采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過(guò)程中，拱頂沉降在一個(gè)循環(huán)開(kāi)挖完成后，斷面后方約1.0倍隧道開(kāi)挖跨度處逐漸趨于平穩(wěn)，仰拱隆起在一個(gè)循環(huán)開(kāi)挖完成后，斷面后方約0.5倍隧道開(kāi)挖跨度處趨于穩(wěn)定。

3）采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)襯砌彎矩大于臺(tái)階法和交叉中隔墻法，應(yīng)對(duì)隧道拱腳襯砌進(jìn)行加強(qiáng)。