晏啟祥 劉 罡 李 彬 何 川 耿 萍

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610031，成都，∥第一作者，教授)

21世紀(jì)，我國迎來了以地鐵建設(shè)為主體的城市地下空間開發(fā)熱潮［1-2］。地鐵建設(shè)的施工工法中，盾構(gòu)法具有對周圍環(huán)境影響小、施工安全快速和機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛認(rèn)可并獲得大量運(yùn)用［3］。由于存在大量以地鐵車站、風(fēng)井、折返線和聯(lián)絡(luò)線為代表的擴(kuò)大斷面，故部分學(xué)者對盾構(gòu)法在擴(kuò)大斷面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并提出了盾構(gòu)擴(kuò)挖法(即在修建不規(guī)則異形斷面時(shí)，盾構(gòu)先行，然后在盾構(gòu)法的基礎(chǔ)上擴(kuò)挖成所需斷面的施工方法)。該工法有利于提高盾構(gòu)的設(shè)備利用率、縮短工程建設(shè)周期、減小對周圍環(huán)境的影響、提高地鐵建設(shè)質(zhì)量，是盾構(gòu)法在城市地鐵、市政及其它眾多工程領(lǐng)域中大規(guī)模應(yīng)用的突破口，有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前，國內(nèi)學(xué)者已對盾構(gòu)擴(kuò)挖法進(jìn)行了部分研究，如:文獻(xiàn)［3］以北京地鐵10號線三元橋站為工程背景，重點(diǎn)分析了暗挖擴(kuò)挖方案，并論證了方案的可行性;文獻(xiàn)［4］提出了在區(qū)間盾構(gòu)隧道的基礎(chǔ)上擴(kuò)建地鐵車站的4種施工方案;文獻(xiàn)［5］系統(tǒng)闡述了盾構(gòu)擴(kuò)挖車站支護(hù)技術(shù)措施和站臺隧道擴(kuò)挖施工工法的主要施工工序要點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù);文獻(xiàn)［6］以北京地鐵14號線高家園站為背景，提出了在外徑10 m的大直徑盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上采用CRD(交叉中隔墻)法擴(kuò)挖地鐵車站的兩種方案，并利用“地層－結(jié)構(gòu)”相互作用有限元法模擬了車站擴(kuò)挖施工過程，研究了結(jié)構(gòu)體系的受力轉(zhuǎn)換規(guī)律;文獻(xiàn)［7］得到了盾構(gòu)擴(kuò)挖法修建地鐵車站時(shí)施工引起的地層移動規(guī)律，并分析了其對地層擾動范圍、影響程度，以及當(dāng)?shù)貙訔l件變化時(shí)盾構(gòu)和擴(kuò)挖這兩個(gè)施工過程對地層擾動范圍、影響程度;文獻(xiàn)［8］對盾構(gòu)擴(kuò)挖法建造地鐵車站施工過程中站廳隧道二襯的兩種施作時(shí)機(jī)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得出站廳隧道二襯必須在橫通道開挖之前施作好等結(jié)論。

上述研究主要集中在盾構(gòu)擴(kuò)挖法在地鐵車站建設(shè)中的運(yùn)用，而沒有涉及其在興建地鐵聯(lián)絡(luò)線中的應(yīng)用。本文以廣州地鐵3號線區(qū)間聯(lián)絡(luò)線為例，研究基于盾構(gòu)擴(kuò)挖法的地鐵聯(lián)絡(luò)線施工力學(xué)的諸多特性。

1 工程概況

本文以廣州地鐵3號線客村—大塘區(qū)間(以下簡為“客大區(qū)間”)某聯(lián)絡(luò)線左線I型斷面(ZDK6+921.9～ZDK6+935.7)與右線對應(yīng) E型斷面構(gòu)成的IE型斷面為研究對象。該斷面代表了在盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上擴(kuò)建成小凈距隧道類型。隧道底板穿過的巖層基本為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化和微風(fēng)化巖;隧道拱頂穿過的巖層主要為巖石全風(fēng)化層及硬塑狀殘積層，局部為巖石強(qiáng)風(fēng)化層，部分地段拱頂上覆砂層。區(qū)間地下水主要為孔隙水和基巖裂隙水，基巖裂隙透水性弱。該區(qū)間未揭示有斷層以及其它不良地質(zhì)構(gòu)造。地層從上到下分布及物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地層物理力學(xué)指標(biāo)

擴(kuò)建前的盾構(gòu)隧道斷面與擴(kuò)建后的IE型斷面相對位置關(guān)系見圖1。左、右洞的開挖斷面面積分別約 77.6 m2、138.2 m2，跨度分別約 11.3 m、15.5 m，最大曲率半徑分別為 10.490 m、14.869 m，埋深9.5～20.0 m 不等。盾構(gòu)隧道外半徑 3.0 m，管片厚度0.3 m。施工方法可采用CRD法;如把右洞視為已存在的導(dǎo)坑，也可采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

圖1 盾構(gòu)隧道斷面與IE型擴(kuò)建斷面的剖面相對位置關(guān)系

施工前需對擴(kuò)挖前方掌子面地層采用小導(dǎo)管注漿進(jìn)行超前預(yù)加固。小導(dǎo)管長4.0 m，外插角10°，縱向間距2.0 m，拱部約150°范圍注漿。超前預(yù)加固后，在不同工況下進(jìn)行計(jì)算分析。具體的工況見表2。

表2 IE型擴(kuò)建斷面模擬工況

2 有限元模型

模型采用有限差分軟件FLAC進(jìn)行計(jì)算。圍巖和注漿改良后的圍巖皆用實(shí)體單元模擬，采用摩爾－庫侖塑性本構(gòu)關(guān)系。二次襯砌用實(shí)體單元模擬，采用彈性的混凝土本構(gòu)關(guān)系。噴射混凝土用殼單元模擬，殼厚0.45 m。錨桿用全粘結(jié)錨桿單元模擬，錨桿長2.0 m，直徑32 mm，環(huán)向間距為1.0 m，彈性模量取45 GPa，錨桿截面積490.1 mm2，最大抗拉力240 kN，砂漿剛度17.5 MN/m，單位長度水泥漿黏結(jié)力 2.0×105N/m。地下水位為地面以下2.0 m，并假設(shè)模型范圍自水面以下都充填地下水。計(jì)算采用無滲流模式計(jì)算。此模式下應(yīng)力重分配會改變地下水的超靜水壓力，從而改變有效應(yīng)力，影響開挖過程中圍巖的沉降。計(jì)算中采用的物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 計(jì)算用物理力學(xué)參數(shù)

采用CRD法擴(kuò)建的模型見圖2，其施工工序?yàn)?a盾構(gòu)施工;b左洞上部開挖、噴混凝土、安錨桿;c左洞下部開挖、噴混凝土;d左洞施工二次襯砌;e右洞左上部開挖、噴混凝土、安錨桿;f右洞左下部開挖、噴混凝土;g右洞右上部開挖、噴混凝土 、安錨桿;h右洞右下部開挖、噴混凝土;i右洞施工二次襯砌。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法擴(kuò)建的模型見圖3，其施工工序?yàn)?a盾構(gòu)施工;b左洞上部開挖、噴混凝土、安錨桿;c左洞下部開挖、噴混凝土;d左洞施工二次襯砌;e右洞施工右導(dǎo)洞、噴混凝土;f右洞上部中心開挖、噴混凝土、安錨桿;g右洞上部右側(cè)開挖、噴混凝土、安錨桿;h右洞上部左側(cè)開挖、噴混凝土、安錨桿;i右洞下部開挖、噴混凝土;j右洞施工二次襯砌。

圖2 盾構(gòu)法基礎(chǔ)上采用CRD法擴(kuò)建模型

圖3 盾構(gòu)法基礎(chǔ)上采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法擴(kuò)建模型

3 施工特性

3.1 埋深9.5 m時(shí)的施工特性

通過有限元模型計(jì)算可得出埋深為9.5 m時(shí)兩種工況的地層豎向位移、噴射混凝土層的最大拉壓應(yīng)力、錨桿的最終軸力和二次襯砌的最大拉壓應(yīng)力。主要計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 埋深9.5 m時(shí)擴(kuò)建IE型斷面的位移和應(yīng)力最大值

(1)地層最大位移分布規(guī)律。地層位移的最大值均出現(xiàn)在右洞上方，并和上方地表位移接近。隆起最大值都出現(xiàn)在右洞的拱底部位。從工況對比看:采用CRD法開挖較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖的地層最大沉降小，但底拱附近地層的隆起略大。

(2)噴射混凝土層最大應(yīng)力分布規(guī)律。IE－1工況下，最大壓應(yīng)力主要集中在右洞的左側(cè)拱腳附近，而IE－2工況下，出現(xiàn)在左右洞的雙側(cè)拱腳。IE－1工況下，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在左右洞底拱略靠中夾土柱一側(cè)，而IE－2工況下，左洞的最大拉應(yīng)力在底拱略靠中夾土柱一側(cè)，右洞的最大拉應(yīng)力在拱頂部位。從數(shù)值上看，相比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，采用CRD法開挖時(shí)噴射混凝土層承受了較大的壓應(yīng)力和較小的拉應(yīng)力。

(3)錨桿軸力分布規(guī)律。采用CRD法開挖時(shí)，軸力較大的錨桿群分布在左洞拱部左側(cè)邊緣和右洞拱部右側(cè)邊緣，其次是右洞的拱頂部位;而雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖時(shí)軸力較大的錨桿出現(xiàn)在右洞拱部左側(cè)邊緣。從數(shù)值上看，CRD法開挖時(shí)錨桿最大軸力較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖時(shí)小。

(4)二次襯砌最大拉壓應(yīng)力分布規(guī)律。兩種工況下，二次襯砌最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在左洞的右側(cè)拱腰，但其分布隨開挖方法的不同有些差別。當(dāng)采用CRD法開挖時(shí)，左右洞的拱底拉應(yīng)力較大;當(dāng)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖時(shí)，最大拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在左洞的底部。從量值上看，采用CRD法開挖時(shí)，二次襯砌的最大拉壓應(yīng)力均相對較小。

(5)特征點(diǎn)豎向位移分布規(guī)律，圖中橫坐標(biāo)對應(yīng)施工工序a～i或a～j。IE－1、IE－2工況下左右洞特征點(diǎn)的豎向位移隨開挖工序或開挖分部的對應(yīng)曲線見圖4、圖5。圖6為IE－1、IE－2工況下地表不同位置在每一施工工序完成后的地表沉降曲線，其中，橫坐標(biāo)的地表位置指圖2和圖3中地表點(diǎn)從左端開始從左到右間隔一點(diǎn)選取的13個(gè)地表點(diǎn)，a～i或a～j指施工工序。

圖4 工況IE－1左、右洞特征點(diǎn)豎向沉降

圖5 工況IE－2左、右洞特征點(diǎn)豎向沉降

圖6 工況IE－1、IE－2地表豎向沉降

右洞洞周特征點(diǎn)豎向位移在右洞開挖之前沒有大的變化。當(dāng)采用CRD法開挖時(shí)，在右洞上斷面開挖過程中豎向位移變化較大，當(dāng)開挖工序?yàn)閔時(shí)，除右洞拱底隆起繼續(xù)加大外，其它點(diǎn)的下沉量并不大;同樣，當(dāng)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖時(shí)，在開挖工序?yàn)閒～h時(shí)，右洞洞周特征點(diǎn)豎向位移較大，而開挖導(dǎo)洞工序e時(shí)右洞洞周特征點(diǎn)變形較小。IE－1工況下，右洞右腰和拱頂特征點(diǎn)下沉量接近;IE－2工況下，右洞左腰和拱頂特征點(diǎn)下沉量接近。這說明右洞上斷面開挖完成的施工工序靠近側(cè)的拱腰特征點(diǎn)變形一般會較大。從圖4和圖5可知，左洞特征點(diǎn)的變形主要出現(xiàn)在b施工工序，即左洞上半斷面形成時(shí)，之后變形較小。右洞的開挖會使左洞洞周發(fā)生豎向沉降的特征點(diǎn)位移繼續(xù)緩慢增大，對左洞拱底特征點(diǎn)隆起產(chǎn)生回彈效應(yīng)。

(6)地表沉降情況。從圖6可知，盾構(gòu)隧道施工時(shí)會引起地表的輕微隆起，左洞上半斷面開挖后左洞上方地表迅速沉降。IE－1工況下，隨著右洞左上斷面的開挖，地表沉降位置逐漸向右洞地表上方移動，且沉降迅速增大，并使地表最大下沉位置出現(xiàn)在右洞上方;IE－2工況下，右洞開挖導(dǎo)坑和右洞上斷面遠(yuǎn)離左洞開挖時(shí)，左洞上方地表繼續(xù)沉降量不大，但當(dāng)開挖右洞上半斷面左側(cè)時(shí)，整個(gè)地表，包括左洞上方地表都將迅速發(fā)生沉降。

3.2 埋深19.5m時(shí)的施工特性

由計(jì)算結(jié)果可知，埋深為19.5m時(shí)地層豎向位移、噴射混凝土層的應(yīng)力、錨桿的軸力以及二次襯砌應(yīng)力的分布規(guī)律與埋深為9.5m時(shí)的分布規(guī)律一致，僅在數(shù)值上有較大的增加。因此，僅分析特征點(diǎn)豎向位移規(guī)律。

埋深19.5m 時(shí)，IE－3、IE－4工況下左右洞特征點(diǎn)的豎向位移隨開挖工序或開挖分部的對應(yīng)曲線見圖7、圖8。圖7中的開挖分部指圖2中的9個(gè)施工工序a～i，而圖8的開挖分部指圖3中的施工工序 a～j。

從圖7－a)和圖8－a)可見，當(dāng)埋深增大到19.5m時(shí)，右洞拱頂拱腰的沉降會接近或超過拱頂?shù)某两抵?。IE－3工況下，右洞的右側(cè)拱腰沉降大于右洞拱頂沉降;IE－4工況下，右洞的左側(cè)拱腰沉降大于右洞拱頂沉降。

從圖7－b)和圖8－b)可知，開挖右洞會增大左洞特征點(diǎn)的豎向位移:當(dāng)埋深為19.5m時(shí)，增值為1.0 ～2.0cm;當(dāng)埋深為 9.5m 時(shí)，增值為 0.0 ～1.0cm。說明在淺埋條件下，開挖右洞對左洞的影響會隨著隧道埋深的增加而增大。

4 沉降控制措施分析

前述分析結(jié)果表明:淺埋隧道中埋深較大的情況下擴(kuò)建地下結(jié)構(gòu)，其地層位移和地表沉降可能超過允許范圍。為降低地表沉降，目前常采用降低地下水位、立柱輔助支撐、采用鋼拱架等施工措施。下面對沉降控制措施進(jìn)行分析。

選取埋深為19.5m的雙線聯(lián)絡(luò)線隧道，采用CRD法進(jìn)行擴(kuò)建模型計(jì)算，具體模型見圖2。模型同樣采用超前小導(dǎo)管注漿，開挖順序以及錨桿、噴射混凝土參數(shù)不變。根據(jù)沉降控制措施不同，計(jì)算工況有3種，見表5。

表5 埋深19.5m時(shí)模擬的輔助措施工況編號及其對應(yīng)含義

立柱的位置見圖9，其使用是在圖2中右洞左斷面開挖完成后進(jìn)行，即圖中f工序之后，并在施作二次襯砌之前拆除。鋼拱架是在左右洞噴錨支護(hù)后、施作二次襯砌之前立即進(jìn)行。鋼拱架用梁單元模擬，其形狀見圖10。

圖7 工況IE－3左、右洞特征點(diǎn)豎向沉降

圖8 工況IE－4左、右洞特征點(diǎn)豎向沉降

圖9 立柱及其位置

圖10 鋼拱架模型

工況IE－5～I(xiàn)E－7的計(jì)算結(jié)果匯總見表6。為便于比較，把工況IE－3的計(jì)算結(jié)果一并列入表中。

表6 控制措施下擴(kuò)建IE型斷面的位移和應(yīng)力最大值

對各變量參數(shù)分布規(guī)律分析如下:

(1)地層最大位移。最大位移均出現(xiàn)在右洞隧道拱頂右上部位，右洞底部地層隆起明顯。在有立柱情況下，立柱底部地層受到限制，隆起發(fā)生在立柱底部周圍。從數(shù)值上看，降低地下水位，對減小地層沉降和隆起有較大作用。如工況IE－5，地層最大位移從降水前的 －13.165 cm降至降水后的－8.979 2 cm，右洞底部的隆起從5.034 8 cm 降至4.895 7 cm。這主要是由于降低地下水位，可以增大土顆粒間的有效應(yīng)力使土層更為密實(shí)，改善土體性質(zhì)，進(jìn)而減少沉降。如降水同時(shí)使用立柱輔助施工，則地層的沉降和隆起變得更小。計(jì)算還表明，利用鋼拱架，可以使地層位移顯著減小。如IE－5工況為－8.979 2 cm，但加上鋼拱架后，地層最大沉降減至 －3.233 6 cm。

(2)噴射混凝土層應(yīng)力。IE－5和IE－7工況下最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在右洞左側(cè)拱腰，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在其底部左側(cè)，而IE－6工況下最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在左洞拱頂，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在右洞底部兩側(cè)。3種工況下噴射混凝土層的最大壓應(yīng)力較工況IE－3都有所增大。而噴射混凝土層的拉應(yīng)力除工況IE－5有所減小外，其它兩種工況均較IE－3增大，尤其是采用立柱輔助時(shí)更為顯著。輔助施工的立柱底部會出現(xiàn)應(yīng)力集中。這是導(dǎo)致其應(yīng)力顯著增大的重要因素，因此，應(yīng)在立柱底部設(shè)置臨時(shí)基礎(chǔ)以便使應(yīng)力分布趨于合理。

(3)二次襯砌最大應(yīng)力。在IE－5和IE－7工況下，最大壓應(yīng)力依然分布在左洞右側(cè)拱腰，最大拉應(yīng)力一般在左洞的底部;在IE－6工況下最大壓應(yīng)力分布在左洞和右洞的左側(cè)拱腰，最大拉應(yīng)力分布在右洞的底部，其值達(dá)到4.488 8 MPa(超過二襯抗拉強(qiáng)度)。這也是由立柱底部應(yīng)力集中引起的，故立柱底部設(shè)置臨時(shí)基礎(chǔ)也可使應(yīng)力分布更為合理。

(4)錨桿軸力。工況IE－5～I(xiàn)E－7下錨桿的軸力較IE－3分布更均勻，且錨桿承受的軸力明顯增大。僅僅降低地下水位時(shí)，錨桿的受力增長很快。當(dāng)有其它措施抑制地層變形時(shí)，錨桿軸力增長幅度要小一些。

通過以上的分析，可以看出:①降低地下水位能有效地減小地層變形，尤其有利于地表沉降控制。降低地下水位能充分發(fā)揮錨桿和噴射混凝土層的作用，使錨桿軸力和噴層承受的壓應(yīng)力顯著提高。②在右洞擴(kuò)建時(shí)采用立柱支撐輔助施工措施，能有效控制地層在施工期間的變形;右洞采取立柱支撐輔助施工會導(dǎo)致應(yīng)力重分配重點(diǎn)往右洞左側(cè)或左洞轉(zhuǎn)移，引起左洞左側(cè)拱腰發(fā)生顯著變形，使左洞左側(cè)二次襯砌和左洞拱頂噴射混凝土層產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。立柱下應(yīng)設(shè)置臨時(shí)基礎(chǔ)，以避免應(yīng)力集中的出現(xiàn)。③采用鋼拱架無論對結(jié)構(gòu)受力和減小地層位移都是有利的。增加鋼拱架榀數(shù)對于控制地表沉降、改善復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)受力作用較大。總之，在地下結(jié)構(gòu)擴(kuò)建過程中，采用降低地下水位、加設(shè)臨時(shí)支護(hù)等施工措施，可有效控制地表沉降。

5 結(jié)論

(1)在城市淺埋暗挖法異型斷面擴(kuò)建施工中，如地層圍巖參數(shù)較低，且隧道埋深屬淺埋時(shí)，則隧道埋深越大，地層位移和地表沉降就越大。

(2)擴(kuò)建的施工方式對地層位移和結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較大。施工方式影響的關(guān)鍵在于后行擴(kuò)建隧道上半斷面的開挖次序和開挖時(shí)機(jī)。一般而言，對于雙洞小凈距隧道，要力求后行隧洞上半斷面分部開挖的最后一部盡量遠(yuǎn)離先行隧洞，并且施工順序盡量靠后。

(3)如果在后行隧洞擴(kuò)建前施作了二次襯砌，則應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注先行隧洞鄰近后行隧洞側(cè)拱腰處二次襯砌的最大壓應(yīng)力。

(4)如地下結(jié)構(gòu)在淺埋情況下埋深相對較大，當(dāng)擴(kuò)建引起的地層位移和地表沉降超過地表建筑物的允許范圍時(shí)，一定的施工沉降控制措施是必要的。計(jì)算表明施工沉降控制措施對于控制地表沉降和地層位移非常有效。

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