青島地鐵穿河隧道施工方案優(yōu)化研究

2014-12-04 01:52:20王渭明曹正龍

長江科學(xué)院院報 2014年11期

王渭明，曹正龍，李強

（山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東青島 266590）

1 研究背景

當(dāng)前城市地鐵的建設(shè)已進入高速發(fā)展時期，2009年8月，《青島市城市快速軌道交通建設(shè)規(guī)劃》已獲得國家批準。規(guī)劃中的青島地鐵環(huán)海灣線區(qū)間隧道需穿越多條河流，地鐵隧道上覆巖土體水壓較大，甚至有較厚淤泥層的存在，隧道開挖改變了原有滲流條件，貿(mào)然揭示不良地質(zhì)極易出現(xiàn)突水、突泥等事故［1］。目前關(guān)于隧道穿越河道施工技術(shù)多具有針對性，很難得到全面具體的理論指導(dǎo)。德國的H.Proetel［2］在20世紀50年代就對水下隧道的設(shè)計與施工進行了研究；王夢?。?］根據(jù)水下交通隧道的特點，總結(jié)了幾點水下隧道施工的關(guān)鍵技術(shù)；李奎等［4］對北京地鐵5號線的過河區(qū)間隧道的4種超前支護方案進行對比分析，優(yōu)化了穿河隧道施工技術(shù)。

上述研究對本文研究有重要指導(dǎo)意義，針對圍巖條件較差、水壓較大的隧道開挖，其有效方法就是“多分步、短進尺、快支撐”，雖控制了圍巖變形，但步序復(fù)雜、施工速度慢，很難達到快速通過不良區(qū)段的目的。尤其當(dāng)河道下方有砂土層以及黏性土層時，更應(yīng)注意隧道開挖對上部圍巖或覆土造成擾動。本文對青島地鐵2號線棗—李區(qū)間隧道穿越李村河段的施工方案進行了優(yōu)化研究，得到優(yōu)化后的施工方案，能保證隧道安全快速通過穿河區(qū)段。

2 工程概況

青島地鐵2號線棗山路站—李村站始于308國道西側(cè)，根據(jù)勘探資料顯示，區(qū)間隧道YSK47+790至YSK47+870段下穿李村河，地下水動態(tài)基本處于自然狀態(tài)。李村河發(fā)源于嶗山，自東向西流入膠州灣，水量受降水制約，季節(jié)性變化較明顯，地下水位年變化幅度約2 m。河寬38 m，經(jīng)治理，部分河床硬化，剩余部分留作河道。區(qū)間隧道與李村河的地理位置及地質(zhì)情況如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道位置及地層示意圖Fig.1 Details of tunnel location and stratum

由圖1中顯示，在李村河道下方，有粗礫砂層和砂土層，透水性較好，隧道掘進過程中貿(mào)然揭示含水層極易造成地下水流動，地表沉陷。該段隧道坡度2.87%，位于強風(fēng)化巖與中風(fēng)化巖交接處。強風(fēng)化巖上方是滲透性較差的含砂粉質(zhì)黏土層，可作為天然隔水層，能夠阻斷上部河水大量流入新開挖的隧道。

3 方案選取

從施工速度和對地面的影響分析，采用TBM法施工較為合理，但是TBM施工造價太高，且對多變的地質(zhì)條件適應(yīng)性較差［5］。故穿越李村河段區(qū)間隧道仍采用礦山法中最普通的臺階法施工，預(yù)留核心土，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，單洞單線馬蹄形斷面，全包防水。由于拱頂以上為強風(fēng)化花崗巖，自穩(wěn)性較差，難于形成自然拱。洞頂上方有厚砂土層，應(yīng)嚴格控制開挖影響區(qū)發(fā)展，防止其穿過強風(fēng)化巖層進入含砂粉質(zhì)黏土層，破壞其天然的隔水作用，故應(yīng)嚴格控制爆破藥量，禁止超挖，防止擾動上部粉質(zhì)黏土層產(chǎn)生液化現(xiàn)象。不可在隧道上方打設(shè)超長錨桿或錨索，防止錨孔穿入滯水層，引起地下水流動。由于隧道位于河道下方，水壓較大，地下水滲流會引起強風(fēng)化巖破碎帶的崩解，可在隧道周圍施作注漿圈控制水壓，以減少隧道的涌水量［6］。

支護方案采用超前小導(dǎo)管注漿，初期支護用格柵拱架結(jié)合掛網(wǎng)噴砼支護，拱腳打設(shè)Φ42 mm鎖腳錨管。二次襯砌采用自防水的C45鋼筋混凝土300 mm。采取光面微差弱拋爆破，并選用防水效果好的乳化炸藥。其斷面尺寸及襯砌結(jié)構(gòu)如圖2，底板襯砌中間有70 mm素混凝土配合防水保護層。

圖2 隧道斷面襯砌結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Tunnel size and its lining structure

由于施工選在雨水量較少的春季，未對李村河采取截水措施，根據(jù)該處地質(zhì)條件及現(xiàn)場機械設(shè)備，擬定最短時間內(nèi)取得最大安全進尺，保證安全快速通過該段。超前小導(dǎo)管注漿后，進行爆破進尺并及時進行初支，循環(huán)進尺一段距離后做二次襯砌，其施工進度如圖3所示。

圖3 隧道施工步驟圖Fig.3 Steps of tunnel constr uction

根據(jù)《鐵路隧道安全施工技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定：一次開挖循環(huán)不超過1.5 m［7］?？紤]到施工機械的限制和爆破振動影響，從安全和施工速度2方面對循環(huán)進尺量和上下臺階長度選取不同參數(shù)，初步形成5種進尺和支護方案。

方案1：每循環(huán)進尺0.5 m，6個循環(huán)做一次二次襯砌，a＝15 m，b＝10 m；

方案2：每循環(huán)進尺0.5 m，6個循環(huán)做一次二次襯砌，a＝8 m，b＝8 m；

方案3：每循環(huán)進尺1 m，3個循環(huán)做一次二次襯砌，a＝8 m，b＝8 m；

方案4：每循環(huán)進尺1 m，6個循環(huán)做一次二次襯砌，a＝10 m，b＝8 m；

方案5：每循環(huán)進尺1.5 m，4個循環(huán)做一次二次襯砌，a＝10 m，b＝8 m。

4 各方案的數(shù)值模擬分析

如圖1中所顯示，隧道位于強風(fēng)化花崗巖中，透水性較好，但風(fēng)化帶上方有一層粉質(zhì)黏土層，可作為天然的隔水層，地下水豎向滲流較慢，為隧道開挖提供了保障，減小了襯砌外水壓。新近地質(zhì)時期形成的黏性土靈敏度較高，一旦微結(jié)構(gòu)被破壞，其強度明顯降低，超空隙水壓力消散，地下水發(fā)生豎向流動。因此隧道開挖不能影響上部粉質(zhì)黏土層的天然隔水作用，否則易引起隧道突水、突泥事故，威脅工程安全。

為掌握下穿隧道上覆巖層變形和塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律，控制塑性區(qū)的發(fā)展范圍，保護隔水層的隔水效果，為安全施工提供技術(shù)指導(dǎo)，對5種方案進行了數(shù)值模擬分析。本工程的2條隧道中心線間距13.5 m，對稱截取左半邊為數(shù)值分析模型，其邊界各取約3倍洞徑長度，沿軸線長53 m。對稱面上設(shè)為豎向約束，襯砌為不透水彈塑性結(jié)構(gòu)，在臺階上施加5 k Pa的均布荷載，數(shù)值分析網(wǎng)格如圖4所示。計算中所用到的隧道圍巖及襯砌基本物理力學(xué)參數(shù)列于表1中。

圖4 數(shù)值模擬網(wǎng)格Fig.4 Grids of numerical si mulation

地下工程的開挖注重時空效應(yīng)，既要釋放部分應(yīng)力，又要控制住變形［8］。單次進尺量及循環(huán)次數(shù)不同，則圍巖暴露時間不同，圍巖變形及應(yīng)力釋放的比例不同。通過對上述5種方案的數(shù)值分析，針對該段地質(zhì)條件，選取合適的進尺量及有利的臺階長度，5種方案的圍巖總變形云圖如圖5所示。云圖中隧道上方的橫線為不同土層的分割線，即圖4中不同顏色的分界線。由圖5可見，各方案拱頂圍巖沉降呈拋物線形，最大沉降值發(fā)生在拱頂正上方。圖中顯示圍巖變形向右側(cè)對稱面發(fā)展，疊合右側(cè)隧道的開挖，會進一步增加變形量，故兩條隧道前后間隔30 m施工有利于增加圍巖穩(wěn)定性。

圖5中顯示底板變形左右對稱，由于底板位于中風(fēng)化巖層中，相對頂板變形較小。隧道兩幫由于上臺階開挖后施工鎖腳錨桿作用，洞周收斂得到了很好的控制，由于在上臺階開挖時預(yù)留核心土，減少了隧洞拱腳及兩幫處圍巖變形［9］。

為判斷隧道開挖變形是否超過預(yù)警值，將關(guān)鍵位置最大變形量列于表2中。

表1 土（巖）層及襯砌物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of the soil（rock）and liner

圖5 各方案沉降變形云圖Fig.5 Nephogram of displacement in each scheme

表2 各方案關(guān)鍵位置變形Table 2 Defor mations in key positions of each scheme mm

由前2種方案的沉降曲線對比發(fā)現(xiàn)，相同的循環(huán)進尺，臺階長度越長，二次襯砌落后掌子面越遠，沉降、底鼓越大。方案1比方案2的拱頂沉降值高24%；底板隆起值高38%。開挖未支護的臨空段越長，則頂板和底板受力結(jié)構(gòu)的撓度越大。故應(yīng)盡量減小臺階長度，但臺階太短會造成施工空間不足，周轉(zhuǎn)不便，影響整體速度。且短臺階在軟弱地層中由于上部破裂面可能會與下臺階開挖引起的破裂面貫通，引起開挖隧道的工作面失穩(wěn)［10］。

由前3種方案的對比，同樣進尺3 m做一次二次襯砌，但方案3減少循環(huán)步，開挖速度較快，能更及時的封閉襯砌結(jié)構(gòu)，故而產(chǎn)生的變形量并未因單次進尺量的增加而引起較大的圍巖變形，甚至方案1的底鼓量超過方案3。由此也得出及時封閉襯砌能控制圍巖變形，僅通過前期支護很難讓圍巖變形進入收斂階段［11］。

通過方案3、方案4的圍巖變形對比，相同的單次進尺量，不同的循環(huán)次數(shù)，引起的位移量不同也是因為襯砌封閉時間不同，圍巖變形進入收斂段產(chǎn)生的位移量不同。但是由于循環(huán)次數(shù)的不同，方案4的施工速度會增加，并且節(jié)約了工作量。

表2中數(shù)據(jù)顯示第5種方案的拱頂沉降值超過報警值的90%，底板隆起量超過報警值的73%，且一次性進尺1.5 m造成的爆破振動較大，可能擾動上部黏性土層［12］，故從安全方面考慮排除此方案。如采取此種進尺方案，須改變支護方式，可采用超前管棚支護或加設(shè)錨桿，但同時卻延緩了施工進度，增加了工程量。

擠出位移為掌子面擠向洞內(nèi)方向的水平位移，根據(jù)5種方案的擠出位移量可以看出，掌子面擠向洞內(nèi)位移隨著單次爆破量的增加而增大，如圖6所示，單次爆破越深，其開挖未支護的臨空面越大，塑性區(qū)越大，由于應(yīng)力釋放較大，造成的擠出位移也越大。

圖6 方案1、方案3、方案5擠出位移云圖Fig.6 Nephogram of extrusion displacement in scheme 1，3，5

為更直觀地看出每一開挖步造成的拱頂沉降量，將5種不同方案施工造成隧道拱頂沉降隨施工步的變化曲線列于圖7中。

由圖7看出，方案4、方案5進尺6 m以后施做二次襯砌，拱頂沉降明顯大于前3種方案，不僅是因為空間上形成較大臨空面，還與支護落后時間有一定關(guān)系。拱頂沉降基本都是在支護前完成的，當(dāng)支護結(jié)構(gòu)施作完成后，拱頂變形趨于穩(wěn)定，由于下一步的開挖又造成了新的位移，二次襯砌后，圍巖變形逐步趨于穩(wěn)定。

綜上所述，第4種施工方案較為合理，既能將圍巖變形控制在預(yù)警值內(nèi)，又有較快的進尺速度?，F(xiàn)考察各方案的隔水層封水效果，分析其開挖引起的塑性區(qū)發(fā)展范圍，如圖8所示。

圖7 各方案拱頂沉降曲線Fig.7 Curves of arch top subsidence in each scheme

圖8 各方案開挖引起的塑性區(qū)Fig.8 Plastic zone caused by excavation in each scheme

從圖8中可以看出，5種方案施工引起的塑性區(qū)發(fā)展均未超過風(fēng)化巖的頂部，意味著隧道開挖對含砂粉質(zhì)黏土層的擾動較小，隧道開挖不會破壞隔水層。從圖8中還可以看出方案5施工的隧洞周圍已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的松動區(qū)，一次性進尺1.5 m，支護不及時，造成圍巖釋放壓力較多，不利于隧道圍巖穩(wěn)定，因此方案5不予采用。方案4開挖引起的松動區(qū)較小，開挖后及時進行支護，保證圍巖壓力得到釋放，又控制變形在預(yù)警值內(nèi)，塑性區(qū)距離粉質(zhì)黏土層1 m左右。

考慮到方案4施工有一定的安全儲備，通過和方案5的對比，單次循環(huán)進尺量不可更改。為利于施工機械運轉(zhuǎn)調(diào)動方便，可適當(dāng)增加臺階長度。故在方案4的基礎(chǔ)上取上臺階長度a分別為12，14，16 m，得到的拱頂沉降值、兩幫收斂值以及底板隆起值如表3所示。

表3 方案4中不同臺階長度引起變形量Table 3 Def or mations caused by different step-lengths in scheme 4 mm

從表3中可以看出，隨著臺階長度的增加，圍巖變形量也相應(yīng)增加。當(dāng)上臺階長度a＝16 m時，兩幫收斂和底板隆起明顯增大，而拱頂沉降已經(jīng)超過預(yù)警值，極有可能破壞上部粉質(zhì)黏土層的隔水作用。從塑性區(qū)發(fā)展察看隔水層的封水效果，將3種臺階長度施工時引起的塑性區(qū)列于圖9中。

圖9 方案4中不同臺階長度下的塑性區(qū)Fig.9 Nephogram of plastic zone in the presence of different step-lengths in scheme 4

從圖9中看出，每循環(huán)進尺1 m，6個循環(huán)做一次二次襯砌，當(dāng)上臺階長度a＝14 m時，開挖引起的塑性區(qū)接近粉質(zhì)黏土層，當(dāng)a＝16 m時，圍巖變形值較大，洞周松動區(qū)明顯增大，塑性區(qū)穿過粉質(zhì)黏土層向滯水層發(fā)展，當(dāng)粉質(zhì)黏土進入塑性狀態(tài)，極有可能破壞其承壓結(jié)構(gòu)，引起砂層中的地下水流入隧道中，增大襯砌水壓和透水量［13］，造成較大圍巖變形和施工困難，甚至引起工程事故。

5 結(jié) 語

（1）針對青島地鐵下穿李村河工程段選定優(yōu)化施工方案應(yīng)為：每循環(huán)進尺1 m，6個循環(huán)做一次襯砌，上臺階長度不超過14 m，下臺階長度為8 m。既能將圍巖變形控制在報警值內(nèi)，塑性區(qū)發(fā)展較小，且施工進度快，節(jié)約了工程量。

（2）不同的臺階長度和循環(huán)進尺量對圍巖變形有較大影響。利用臺階法施工達到安全快速的目的，循環(huán)進尺量和臺階長度須取一個合理值。①增大單次進尺量可加快施工進度，同時增大了圍巖變形；②增大臺階長度利于機械運轉(zhuǎn)調(diào)動速度，同時增大了圍巖塑性區(qū)和松動區(qū)范圍，不利于圍巖穩(wěn)定。（3）當(dāng)隧道穿越河道或地下水位較高，且有黏性土層等作為承壓水層時，開挖過程中需重點控制隧道開挖對隔水層的影響，約束塑性區(qū)發(fā)展，在確保天然隔水效果的前提下，提高施工速度，確保隧道安全、快速完成。

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