淺埋超大跨多導(dǎo)洞拱蓋法地鐵區(qū)間導(dǎo)洞施工方案優(yōu)化研究

高曉剛 尹學(xué)鑫 崔 凱 舒文韜 馬龍祥

(1.中鐵三局集團(tuán)廣東建設(shè)工程有限公司,510510,廣州; 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,610031,成都∥第一作者,高級(jí)工程師)

近些年來(lái),隨著城市地鐵的大規(guī)模建設(shè)以及為滿足地鐵運(yùn)營(yíng)的自身需求,以地鐵折返線為代表的淺埋大跨暗挖地鐵區(qū)間隧道在地鐵建設(shè)中愈發(fā)頻繁地出現(xiàn)[1]。為了減小施工風(fēng)險(xiǎn),淺埋大跨暗挖地鐵隧道往往采用多導(dǎo)洞分部開(kāi)挖的方式進(jìn)行修建,在此背景下,導(dǎo)洞的施工力學(xué)效應(yīng)及開(kāi)挖方案對(duì)隧道施工安全及周邊環(huán)境影響的控制至關(guān)重要。大量學(xué)者針對(duì)大斷面暗挖隧道導(dǎo)洞開(kāi)挖的合理施工方案及其對(duì)環(huán)境的影響開(kāi)展了研究,取得了系列成果。文獻(xiàn)[2-4]分別對(duì)CRD(交叉中隔壁)法及洞樁法施工中導(dǎo)洞施工順序、施工錯(cuò)距等施工參數(shù)對(duì)施工安全及周邊環(huán)境的影響進(jìn)行了研究,并對(duì)導(dǎo)洞施工方案進(jìn)行了優(yōu)化;文獻(xiàn)[5-6]以拱蓋法3導(dǎo)洞地鐵隧道為工程背景,分析了導(dǎo)洞施工對(duì)圍巖變形及結(jié)構(gòu)受力的影響。

綜合既有研究成果可以看到,目前關(guān)于城市大跨暗挖地下工程導(dǎo)洞施工力學(xué)效應(yīng)及合理施工方案的研究主要是針對(duì)洞樁法及CRD法修建的地下工程,而關(guān)于拱蓋法地下工程導(dǎo)洞施工力學(xué)效應(yīng)的研究較少,且既有研究也僅針對(duì)跨度較小、導(dǎo)洞數(shù)量不多的拱蓋法地下工程開(kāi)展了相應(yīng)研究。然而,隨著地下空間開(kāi)發(fā)的不斷深入,采用多導(dǎo)洞(多于3個(gè)導(dǎo)洞)拱蓋法施工的超大跨地下工程在近些年也開(kāi)始涌現(xiàn)。隨著導(dǎo)洞數(shù)量的增多,拱蓋法施工中多個(gè)導(dǎo)洞的群洞力學(xué)效應(yīng)將變得十分顯著,而尋求大跨度拱蓋法多個(gè)導(dǎo)洞的合理施工方案以充分保障施工安全及環(huán)境影響可控也成為了目前一個(gè)重要且亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。有鑒于此,本文以廣州地鐵11號(hào)線華景路站—華師站區(qū)間超大跨拱蓋法施工工程為依托對(duì)此問(wèn)題開(kāi)展系統(tǒng)性研究,以期為類(lèi)似工程提供一定參考。

1 工程概況

廣州地鐵11號(hào)線在華景路站—華師站區(qū)間設(shè)地鐵折返線,該折返區(qū)段為4線并行區(qū)段,長(zhǎng)39.95 m,斷面寬28.4 m、高15.0 m,平均埋深約為19 m。該折返區(qū)段位于廣州繁華城區(qū),其所處地層為典型的上軟下硬地層。該隧道是目前廣州市地鐵斷面跨度最大的地鐵隧道(見(jiàn)圖1),且周?chē)h(huán)境極其敏感。為了縮短建設(shè)工期并保障施工安全與低環(huán)境影響,該超大跨度區(qū)間隧道擬在盾構(gòu)隧道先行通過(guò)的條件下,采用雙層初支拱蓋法的施工方式進(jìn)行修建。由于隧道跨度大,扣拱的澆筑通過(guò)6個(gè)導(dǎo)洞的開(kāi)挖來(lái)提供建造空間(見(jiàn)圖1)。大跨區(qū)段具體施工時(shí),先在隧道拱部80°范圍內(nèi)打設(shè)直徑159 mm、壁厚10 mm、長(zhǎng)度45 m、環(huán)向間距350 mm的超前大管棚,然后進(jìn)行導(dǎo)洞分部開(kāi)挖并及時(shí)施作拱腳錨桿、一層初期支護(hù)和臨時(shí)支撐,待邊導(dǎo)洞貫通后開(kāi)始施做縱梁,在縱梁強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求且全部導(dǎo)洞貫通后再施做二層初期支護(hù),最后在兩層初期支護(hù)與縱梁共同組成的拱蓋承載體系保護(hù)下進(jìn)行臨時(shí)支撐拆除、下部空間開(kāi)挖和二次襯砌施做等剩余工序的施工。顯然,在拱蓋承載體系形成之前的導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中,存在較大的施工安全及地層過(guò)量沉降變形風(fēng)險(xiǎn)。鑒于此,有必要對(duì)該工程導(dǎo)洞的施工方案開(kāi)展優(yōu)化研究,以指導(dǎo)導(dǎo)洞的高質(zhì)量施工,從而最大限度地降低隧道施工風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。

注:1,2,…,6代表6個(gè)導(dǎo)洞編號(hào);L為錨桿長(zhǎng)度。

2 數(shù)值分析模型

2.1 模型建立

采用三維有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件FLAC3D建立三維數(shù)值模型,從導(dǎo)洞施工順序、施工錯(cuò)距及施工進(jìn)尺等關(guān)鍵施工參數(shù)出發(fā),研究多導(dǎo)洞拱蓋法地鐵工程的合理導(dǎo)洞施工方案。模型尺寸(長(zhǎng)度×高度×寬度)為200.0 mm×86.9 mm×40.0 mm(見(jiàn)圖2),模型的左右、前后以及下邊界采用法向位移約束條件。由于大跨段埋深較淺,采用自重應(yīng)力場(chǎng)作為初始地應(yīng)力場(chǎng)。隧道圍巖考慮為均質(zhì)理想彈塑性材料,服從Mohr-Coulomb(摩爾-庫(kù)侖)屈服準(zhǔn)則,并合理簡(jiǎn)化為水平地層,采用三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬;盾構(gòu)管片、第一層初期支護(hù)和臨時(shí)支撐考慮為彈性材料,采用殼單元模擬;超前支護(hù)通過(guò)設(shè)置等效加固區(qū)進(jìn)行模擬[7];錨桿采用軟件內(nèi)置結(jié)構(gòu)單元——錨索單元進(jìn)行模擬,所建立的三維數(shù)值模型如圖2所示。

a) 整體模型

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

在數(shù)值模擬中,圍巖與結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告、室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)資料和相應(yīng)材料參數(shù)進(jìn)行選取。第一層初期支護(hù)與臨時(shí)支撐均采用根據(jù)等剛度換算后的均質(zhì)模型模擬[8]。由于它們分別承擔(dān)外荷載產(chǎn)生的彎矩和軸力,因此相應(yīng)彈性模量分別按照抗彎剛度等效和抗壓剛度等效計(jì)算。模型的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體材料及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

2.3 施工過(guò)程模擬

本文主要對(duì)依托工程導(dǎo)洞的施工方案進(jìn)行優(yōu)化研究,因此僅對(duì)工程導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程及鄰近工序進(jìn)行模擬。為了探明導(dǎo)洞的合理施工方案,論文將設(shè)置多種導(dǎo)洞開(kāi)挖方案進(jìn)行分析研究。對(duì)于每一種導(dǎo)洞施工方案,相應(yīng)的數(shù)值模擬施工步驟均為:形成初始地應(yīng)力場(chǎng)→盾構(gòu)隧道開(kāi)挖貫通→施做超前管棚→各導(dǎo)洞依照相關(guān)順序與施工參數(shù)進(jìn)行全斷面開(kāi)挖并施做第一層初期支護(hù)與臨時(shí)支撐→施做邊導(dǎo)洞縱梁。

3 導(dǎo)洞施工參數(shù)對(duì)周邊環(huán)境的影響

3.1 導(dǎo)洞施工順序影響分析

考慮對(duì)稱施工和非對(duì)稱施工條件下各導(dǎo)洞的施工順序,并根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的可行性,確定如表2所示的7組不同導(dǎo)洞施工順序作為分析計(jì)算工況(導(dǎo)洞編號(hào)見(jiàn)圖2),研究導(dǎo)洞施工順序?qū)χ苓叚h(huán)境的影響。其中,工況1-7中的3′指3號(hào)導(dǎo)洞與其余導(dǎo)洞對(duì)向開(kāi)挖,這樣可以在一定程度上避免或減輕施工過(guò)程中不同導(dǎo)洞施工的時(shí)空交叉,有利于施工組織,從而可有效提高施工效率。

表2 不同導(dǎo)洞施工順序

在分析中,各導(dǎo)洞施工進(jìn)尺統(tǒng)一取為1 m,不同導(dǎo)洞掌子面縱向錯(cuò)距統(tǒng)一取為5 m。以大跨區(qū)段中間斷面(模型縱向距離20 m處的斷面)作為研究目標(biāo)面,選取各工況中有代表性的幾個(gè)施工狀態(tài),探究在不同導(dǎo)洞施工順序過(guò)程中的圍巖豎向變形規(guī)律。各工況分析的施工狀態(tài)依次包括各導(dǎo)洞依照相應(yīng)順序開(kāi)挖至目標(biāo)面狀態(tài)及后面縱梁施做至目標(biāo)面與導(dǎo)洞全部貫通狀態(tài),即對(duì)于表2中1-1—1-4的對(duì)稱開(kāi)挖工況,分析5個(gè)施工狀態(tài);而對(duì)于1-5—1-6的非對(duì)稱開(kāi)挖工況,均分析8個(gè)施工狀態(tài)。具體以工況1-1為例,施工狀態(tài)1、2、3分別對(duì)應(yīng)于導(dǎo)洞12、34、56開(kāi)挖至目標(biāo)面,而施工狀態(tài)4與5則分別對(duì)應(yīng)于縱梁施做至目標(biāo)面狀態(tài)及導(dǎo)洞全部貫通狀態(tài)。其余工況依此類(lèi)推。

不同導(dǎo)洞施工順序條件下目標(biāo)面處圍巖最大豎向位移隨施工進(jìn)程變化曲線如圖3所示。由圖可以看出:位于拱蓋跨中的導(dǎo)洞1、2的開(kāi)挖對(duì)于圍巖豎向位移的影響較大,工況1-1和工況1-5由于先開(kāi)挖導(dǎo)洞1和導(dǎo)洞2,其圍巖豎向位移在施工初期就會(huì)發(fā)展到比較大的量值;非對(duì)稱開(kāi)挖(工況1-5—1-7)相較于對(duì)稱開(kāi)挖(工況1-1—1-4)對(duì)于控制圍巖豎向位移更有優(yōu)勢(shì),這是因?yàn)閷?duì)稱開(kāi)挖同時(shí)挖除的斷面面積要明顯大于非對(duì)稱開(kāi)挖,因而會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生更大的擾動(dòng)。因此,從周邊環(huán)境影響的控制出發(fā),并進(jìn)一步考慮到施工組織的便利性,導(dǎo)洞的施工順序采用工況1-7的方案是最為有利的。

圖3 圍巖最大豎向位移隨施工過(guò)程變化曲線(不同導(dǎo)洞施工順序)

3.2 導(dǎo)洞施工進(jìn)尺影響分析

為探究導(dǎo)洞施工進(jìn)尺對(duì)圍巖變形的影響,設(shè)置施工進(jìn)尺分別為0.5 m、1.0 m、2.0 m、4.0 m的4種工況進(jìn)行計(jì)算分析。各工況分析中,導(dǎo)洞施工錯(cuò)距統(tǒng)一取為5 m,施工順序統(tǒng)一按工況1-7進(jìn)行。同樣選取中間斷面作為研究目標(biāo)面,分析工況1-7中8個(gè)典型施工狀態(tài)下目標(biāo)面的圍巖最大豎向位移,如圖4所示。

圖4 圍巖最大豎向位移隨施工過(guò)程變化曲線(不同導(dǎo)洞施工進(jìn)尺)

從圖4中可以看出:不同導(dǎo)洞施工進(jìn)尺條件下,圍巖位移在施工過(guò)程中存在顯著差異,進(jìn)尺越大,圍巖位移越大;就最終狀態(tài)而言,施工進(jìn)尺由0.5 m增加到4.0 m時(shí),圍巖最大豎向位移會(huì)從-7.6 mm增加到-25.3 mm,量值增加3.33倍。顯然,這是由于施工進(jìn)尺越短圍巖應(yīng)力釋放越不充分的緣故所造成的。因此,為了控制對(duì)周邊環(huán)境影響,本工程導(dǎo)洞的施工進(jìn)尺選擇為0.5 m最為有利。

3.3 導(dǎo)洞施工錯(cuò)距影響分析

為探究導(dǎo)洞施工錯(cuò)距對(duì)圍巖變形的影響,設(shè)置4 m、6 m、8 m、10 m的4種施工錯(cuò)距工況進(jìn)行計(jì)算分析。在分析中,導(dǎo)洞施工進(jìn)尺統(tǒng)一取為0.5 m,施工順序統(tǒng)一按工況1-7進(jìn)行。同樣選取中間斷面作為研究目標(biāo)面,分析施工順序工況1-7中8個(gè)典型施工狀態(tài)下目標(biāo)面的圍巖最大豎向位移變化規(guī)律,如圖5所示。

圖5 圍巖最大豎向位移隨施工過(guò)程變化曲線(不同導(dǎo)洞施工錯(cuò)距)

從圖5可以看到:由于不同的導(dǎo)洞施工錯(cuò)距會(huì)導(dǎo)致圍巖橫向和縱向的成拱效應(yīng)產(chǎn)生一定差別,因此不同施工錯(cuò)距對(duì)不同施工階段圍巖變形的影響有所不同,但總體而言,不同錯(cuò)距對(duì)圍巖豎向位移的影響并不顯著。

4 基于數(shù)值模擬的導(dǎo)洞合理施工方案正交試驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步探明導(dǎo)洞合理施工方案,通過(guò)正交試驗(yàn)方法綜合考慮導(dǎo)洞施工順序、施工錯(cuò)距和施工進(jìn)尺3種關(guān)鍵施工參數(shù)聯(lián)合作用下的圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)施工力學(xué)效應(yīng),并結(jié)合前述分析,得出最優(yōu)的現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)洞施工方案。

4.1 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

以導(dǎo)洞施工順序(A)、施工錯(cuò)距(B)和施工進(jìn)尺(C)為影響因素,設(shè)計(jì)3種因素3個(gè)水平的無(wú)交互作用的等水平正交試驗(yàn),試驗(yàn)的因素和水平如表3所示。

表3 導(dǎo)洞合理施工方案正交試驗(yàn)因素和水平

在具體試驗(yàn)時(shí),依據(jù)L9(33)正交表進(jìn)行相應(yīng)工況的數(shù)值計(jì)算,并選擇最終狀態(tài)圍巖位移、圍巖應(yīng)力及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力作為評(píng)價(jià)指標(biāo),綜合評(píng)價(jià)各工況施工力學(xué)響應(yīng)的優(yōu)劣。

4.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出正交試驗(yàn)結(jié)果,并按照正交試驗(yàn)分析原理[9]計(jì)算各因素每個(gè)水平試驗(yàn)值的平均值,并繪制其與評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系曲線,如圖6所示。從圖6中可以看出,導(dǎo)洞施工順序、施工錯(cuò)距和施工進(jìn)尺對(duì)于圍巖最大位移、圍巖最小主應(yīng)力、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響顯著性排序依次為:施工進(jìn)尺>施工順序>施工錯(cuò)距。而各種施工參數(shù)對(duì)于圍巖最大主應(yīng)力的影響顯著性排序依次為:施工順序>施工進(jìn)尺>施工錯(cuò)距。因此,總的來(lái)說(shuō)對(duì)于導(dǎo)洞施工效果影響最大的施工參數(shù)為施工進(jìn)尺,其次為施工順序,而影響最小的是施工錯(cuò)距。

a) 圍巖最大豎向位移

對(duì)于圍巖位移而言,圍巖位移越小方案越好,因此僅從圍巖位移來(lái)看最優(yōu)施工方案為:A1B2C1。對(duì)于圍巖應(yīng)力而言,圍巖最大主應(yīng)力應(yīng)小于0以保證圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài);若大于0(受拉),則量值越小越好;同時(shí)圍巖最小主應(yīng)力的絕對(duì)量值也是越小越好,因此僅從圍巖應(yīng)力來(lái)看最優(yōu)施工方案為:A3B2C1。對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力而言,支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力越小越好,因此僅從支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力來(lái)看最優(yōu)施工方案為:A1B2C2。對(duì)于依托工程,需綜合考慮圍巖位移、應(yīng)力和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力,以最終確定導(dǎo)洞最優(yōu)施工方案?；诖?結(jié)合本文第3章中關(guān)于關(guān)鍵施工參數(shù)對(duì)圍巖最大豎向位移影響的分析,選擇A1B2C1作為導(dǎo)洞施工方案最為合適,即導(dǎo)洞的最優(yōu)施工順序?yàn)?′→4→1→2→5→6,最優(yōu)施工錯(cuò)距為6 m,最優(yōu)施工進(jìn)尺為0.5 m。因?yàn)椴捎眠@樣的導(dǎo)洞施工方案,不僅能控制本工程對(duì)周邊環(huán)境的影響,而且還可同時(shí)兼顧圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力安全以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工效率的要求。

5 優(yōu)化方案現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

依據(jù)導(dǎo)洞方案優(yōu)化結(jié)果,現(xiàn)場(chǎng)按照建議的導(dǎo)洞施工方案進(jìn)行了施工。截至目前,最后開(kāi)始施工的導(dǎo)洞6已施工了約19.5 m,導(dǎo)洞5已施工了約25.5 m。在此施工狀態(tài)下,選取DK7+852里程處(該斷面滯后于當(dāng)前狀態(tài)導(dǎo)洞6掌子面約5 m,即所有導(dǎo)洞均已開(kāi)挖通過(guò)該斷面)導(dǎo)洞拱頂沉降實(shí)測(cè)值與導(dǎo)洞施工數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,如圖7所示。通過(guò)對(duì)比可知,導(dǎo)洞拱頂位移現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的一致性,驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性。從兩者的結(jié)果都可以看出,拱頂位移基本沿隧道中線呈對(duì)稱分布,導(dǎo)洞1、2的拱頂位移較大,導(dǎo)洞5、6和導(dǎo)洞3、4的拱頂位移較小,且導(dǎo)洞拱頂最大沉降均小于控制值20 mm。由此可見(jiàn),導(dǎo)洞施工優(yōu)化方案在現(xiàn)場(chǎng)取得了良好的應(yīng)用效果。

圖7 DK7+852里程處導(dǎo)洞拱頂位移實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值對(duì)比

6 結(jié)論

1) 非對(duì)稱開(kāi)挖方式相較于對(duì)稱開(kāi)挖方式對(duì)于控制圍巖位移更為有利,同時(shí),先開(kāi)挖中間導(dǎo)洞會(huì)導(dǎo)致整個(gè)施工過(guò)程中圍巖位移始終處于較大量值水平,不利于施工風(fēng)險(xiǎn)管控。因此,超大跨多導(dǎo)洞拱蓋法地鐵隧道導(dǎo)洞的施工宜遵循“先邊后中”及“非對(duì)稱開(kāi)挖”的原則。

2) 導(dǎo)洞施工參數(shù)對(duì)于圍巖變形、圍巖最小主應(yīng)力、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響顯著性排序依次為:施工進(jìn)尺>施工順序>施工錯(cuò)距;對(duì)于圍巖最大主應(yīng)力的影響顯著性排序依次為:施工順序>施工進(jìn)尺>施工錯(cuò)距。因此,總體而言,在上軟下硬地質(zhì)條件下,對(duì)于超大跨多導(dǎo)洞拱蓋法導(dǎo)洞施工力學(xué)效應(yīng)影響最大的施工參數(shù)為施工進(jìn)尺,其次為施工順序,而影響最小的是施工錯(cuò)距。

3) 依托廣州地鐵11號(hào)線折返區(qū)段工程的導(dǎo)洞最優(yōu)的施工順序?yàn)?′→4→1→2→5→6,最優(yōu)的施工錯(cuò)距為6 m,最優(yōu)的施工進(jìn)尺為0.5 m。