李登科

(中鐵二十四局集團(tuán)有限公司軌道交通分公司 上海 200071)

1 引言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程步伐的加快，城市軌道交通建設(shè)成為了各級(jí)政府所關(guān)心的重要民生問(wèn)題，也成為了普通群眾迫在眉睫解決出行問(wèn)題的重要方式。在城市軌道建設(shè)的過(guò)程中，淺埋暗挖法由于其在施工方法上靈活，占用施工空間少，以及對(duì)現(xiàn)有交通影響小等特點(diǎn)在眾多施工方法中脫穎而出。其在施工和設(shè)計(jì)過(guò)程中有十八字方針:管超前、嚴(yán)注漿、短開(kāi)挖、墻支護(hù)、快封閉、勤測(cè)量[1]。其中，監(jiān)控量測(cè)是我們施工過(guò)程中保證施工安全的一種方法。在現(xiàn)代信息化施工過(guò)程中，監(jiān)測(cè)結(jié)果可以作為已知的數(shù)據(jù)去進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，既可以了解現(xiàn)有施工進(jìn)程的安全性，也可以去研究預(yù)測(cè)未來(lái)施工過(guò)程可能造成的影響，對(duì)于我們?nèi)ヮA(yù)判結(jié)果有很大的借鑒意義。

大斷面雙連拱隧道在地鐵隧道施工中較為罕見(jiàn)，其施工變形分析以及預(yù)測(cè)的研究也比較少。本文以西安地鐵六號(hào)線科技八路站～科技六路站區(qū)間雙連拱隧道為例，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及數(shù)值模擬的方法，對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中引起的變形進(jìn)行分析，對(duì)類似工程有一定的參考意義[2-3]。

2 工程概況

2.1 概況

科技八路站～科技六路站區(qū)間工程，南起科技八路，沿唐延路北主干道方向敷設(shè)，沿途經(jīng)過(guò)科技八路、科技七路、西安唐長(zhǎng)安城遺址公園、穿過(guò)規(guī)劃中地塊后接入科技六路站。起點(diǎn)里程YCK24+515.500、終點(diǎn)里程YCK25+388.601，左線長(zhǎng)882.480 m，右線長(zhǎng)873.101 m。其中科技八路站～盾構(gòu)井(YCK24+515.500～YCK24+691.272)段采用淺埋暗挖法施工，長(zhǎng)度約為175.772雙延米；盾構(gòu)井～科技六路站(YCK24+708.222～YCK25+388.601)段采用盾構(gòu)法施工，長(zhǎng)度約為680.379雙延米。暗挖段平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 礦山法區(qū)間平面圖

2.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

擬建場(chǎng)地主要地貌單元為皂河沖洪積二級(jí)階地，地層為(1-1)雜填土、(2-1)黃土狀土、(2-5)中砂、(3-1)新黃土、(3-2)古土壤(拱頂土層)、(3-3)粉質(zhì)黏土、(3-4)粉土、(3-6-2)中砂、(4-3)粉質(zhì)黏土、(4-6)中砂。本工程暗挖隧道開(kāi)挖面土層自下而上主要為:古土壤及粉質(zhì)黏土，部分含粉土及中砂夾層。

據(jù)地質(zhì)資料，該場(chǎng)地所揭露的地下水主要賦存于新黃土、砂類土及粉質(zhì)黏土中，屬孔隙性潛水。該隧道位于地下水位以上。

2.3 區(qū)間結(jié)構(gòu)及施工方法

2.3.1 區(qū)間結(jié)構(gòu)

區(qū)間結(jié)構(gòu)采用雙連拱結(jié)構(gòu)，復(fù)合式襯砌，不同斷面尺寸中最大結(jié)構(gòu)形式為B3斷面，其最大寬度為14.44 m、最大高度為7.93 m、標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

圖2 雙連拱隧道結(jié)構(gòu)尺寸(單位：mm)

2.3.2 區(qū)間施工工法

區(qū)間隧道為雙連拱隧道，采用中導(dǎo)洞-臺(tái)階法施工。先從盾構(gòu)井向科技八路站進(jìn)行中導(dǎo)洞施工，施作中導(dǎo)洞開(kāi)挖、支護(hù)；中導(dǎo)洞開(kāi)挖100 m后，由盾構(gòu)井向科技八路站進(jìn)行二襯中隔墻施工；中隔墻施工24 m后，兩側(cè)左右導(dǎo)洞錯(cuò)開(kāi)5～10 m分別進(jìn)行開(kāi)挖施工；兩側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖65 m后施作隧道二襯、封閉拱圈。

中導(dǎo)洞、左右導(dǎo)洞均采用上下臺(tái)階留取核心土的開(kāi)挖方法。核心土長(zhǎng)度為3～5 m，寬度為隧道相應(yīng)開(kāi)挖洞室寬度的1/3～1/2[4-5]。

3 隧道開(kāi)挖數(shù)值分析

3.1 模型參數(shù)與尺寸

本次模型以B3斷面構(gòu)件尺寸建模，該斷面地質(zhì)情況由上至下分別為:雜填土層厚約2.8 m，黃土層厚約2.4 m，古土壤土層厚約5.8 m，粉質(zhì)黏土層厚約25 m。

計(jì)算范圍:水平方向取70 m，上部取至地表，沿隧道縱向取30 m。計(jì)算主要考慮重力場(chǎng)，水平應(yīng)力由重力自行生成。模型側(cè)面和底面為位移邊界，側(cè)面限制水平位移，底面限制垂直位移，上邊界是地表，為自由面[6]。該模型是3D平行平面模型，Z平面傾角0；其中單元數(shù)246 491，節(jié)點(diǎn)數(shù)17 472。模型圖見(jiàn)圖3。

圖3 B3斷面模型

數(shù)值計(jì)算需采用的土層參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)選取

3.2 隧道中心地表沉降分析

3.2.1 開(kāi)挖過(guò)程中各階段分析

通過(guò)運(yùn)用數(shù)值分析軟件，可以將施工的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行等效的模擬分析，我們可以看到在模擬過(guò)程中隧道在中洞二襯施作完成后的沉降值為20 mm(見(jiàn)圖4)，在施工完成后的沉降值為26 mm(見(jiàn)圖5)。為了研究每一步施工在總沉降的比值以及引起地表沉降最大的施工步驟，選取模型Y＝15 m的橫向截面，以及地表中心31 397節(jié)點(diǎn)，計(jì)算每一施工步序在總沉降值中的比重，以及各施工步的百分比[7]，見(jiàn)表2。

圖4 中洞二襯施作后地表沉降量分析

圖5 隧道施工完成后地表沉降量分析

表2 施工分階段控制計(jì)算值

通過(guò)表2可以發(fā)現(xiàn):中洞開(kāi)挖的沉降為沉降的主要部分，占最終沉降的39%，中洞二襯施作完后的沉降占最終沉降的58.2%；各施工步序開(kāi)挖產(chǎn)生的地表沉降分別占最終沉降的百分比有很大差別，其中左洞上臺(tái)階開(kāi)挖占總沉降的6%左右，而右洞下臺(tái)階開(kāi)挖占總沉降的11.25%。下臺(tái)階開(kāi)挖占總沉降的百分比較小。左洞與右洞相比較而言，右洞開(kāi)挖和支護(hù)在總沉降中所占的百分?jǐn)?shù)要大于左洞，這可能和左洞尺寸較小有關(guān)[8-9]。

3.2.2 開(kāi)挖過(guò)程中隧道橫向地表沉降變化

由于隧道處于道路正下方，我們不僅要研究地表中心的沉降，也要研究隧道開(kāi)挖對(duì)于臨近地表的影響范圍，我們選取模型Y＝15 m的截面分析隧道開(kāi)挖的橫向沉降規(guī)律。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得知:

(1)左導(dǎo)洞上部土體開(kāi)挖引起開(kāi)挖面頂部土體下沉和底部土體隆起，對(duì)拱腰部分土體影響不大；此階段地表沉降較小，最大值為0.68 mm。

(2)左導(dǎo)洞下部土體開(kāi)挖對(duì)圍巖的Y方向位移和地表沉降均無(wú)較大影響。

(3)右導(dǎo)洞上部土體開(kāi)挖后，對(duì)應(yīng)部分的拱頂產(chǎn)生下沉，底部土體產(chǎn)生隆起，但對(duì)隧道的安全穩(wěn)定性影響不大；此階段地表沉降在每個(gè)特征點(diǎn)都有所增加，最大增值為1.16 mm。

(4)右導(dǎo)洞下部土體的開(kāi)挖擴(kuò)大了隧道拱部以上圍巖的沉降區(qū)域，擾動(dòng)區(qū)范圍內(nèi)的Y方向位移變化不大；此階段地表沉降增幅較小。

(5)中導(dǎo)洞土體開(kāi)挖后，隧道拱部完全失去土體支撐，圍巖Y方向位移向拱部集中，形成拱部沉降帽，導(dǎo)洞下部土體上表面完全失去Y方向約束，產(chǎn)生了較大的隆起；此階段地表沉降增幅明顯，位于隧道中心線上，中導(dǎo)洞土體開(kāi)挖后，形成一個(gè)規(guī)則、封閉的開(kāi)挖面，圍巖Y方向位移沿隧道中心線呈對(duì)稱分布。

(6)拱頂最終沉降值為26 mm，地表沉降槽最終曲線形成，符合Peck沉降規(guī)律，最大沉降值為10.55 mm，位于隧道中心線上。

4 監(jiān)控測(cè)量特征點(diǎn)布置

在施工過(guò)程中，為了可以實(shí)時(shí)觀測(cè)施工所帶來(lái)的一系列變形，會(huì)選取關(guān)鍵截面布點(diǎn)，從而來(lái)檢測(cè)拱頂沉降、地表沉降以及收斂等數(shù)據(jù)[10]。本區(qū)間隧道在保證安全的同時(shí)也為了之后的研究，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 雙連拱隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖7 區(qū)間地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)(局部)

5 支護(hù)結(jié)構(gòu)及地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

5.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

區(qū)間隧道采用淺埋暗挖法施工的每一步驟均會(huì)有所監(jiān)測(cè)，拱頂沉降與凈空收斂的最大值均列在了表3中，從表中的數(shù)據(jù)可以看出，其變形值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于預(yù)警值和報(bào)警值。

表3 凈空收斂、拱頂沉降統(tǒng)計(jì)值

5.2 地表沉降分析

通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，我們可知地表沉降最大的位置布點(diǎn)(見(jiàn)表4)基本位于暗挖區(qū)間中心線上，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。將模擬結(jié)果的沉降槽與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的沉降槽對(duì)比(見(jiàn)圖8)，我們可以看到:模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果有著一定的誤差，但誤差在允許范圍之內(nèi)，而且二者的變化趨勢(shì)基本一致[11]。從地表沉降隨時(shí)間的變化曲線中可以看出在中洞土體開(kāi)挖時(shí)地表沉降增幅明顯，但整體變化較為穩(wěn)定且在合理的范圍之內(nèi)。

表4 地表沉降統(tǒng)計(jì)值

圖8 沉降槽數(shù)據(jù)對(duì)比曲線

6 施工地表沉降預(yù)測(cè)

6.1 變形分配預(yù)測(cè)原理

為了做到信息化監(jiān)控整個(gè)施工步驟以及合理地判斷施工目前所處狀態(tài)的安全性，可以將模擬結(jié)果中各階段施工步驟在總沉降中所占的比值和現(xiàn)場(chǎng)施工的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，去合理地推斷未來(lái)每一步的施工沉降以及最后總的沉降值，這樣既可以對(duì)現(xiàn)有施工進(jìn)行一個(gè)反饋，也可以對(duì)未來(lái)施工進(jìn)行一個(gè)判斷。其核心是:即使模擬結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在著數(shù)量上的對(duì)等，但是在各個(gè)開(kāi)挖步序所引起的沉降在總沉降中的比值是相對(duì)穩(wěn)定的，可以將數(shù)值模擬中的一些比值與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，去預(yù)測(cè)未來(lái)每一步所發(fā)生的沉降和總的沉降值[12]。

6.2 地表沉降預(yù)測(cè)

根據(jù)數(shù)值模擬中的31 397節(jié)點(diǎn)以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中與其相對(duì)應(yīng)的DBCZDK24+680-1節(jié)點(diǎn)的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行沉降分配，對(duì)各施工步序中的沉降結(jié)果進(jìn)行相對(duì)的預(yù)測(cè)，達(dá)到提前報(bào)警的效果，其預(yù)測(cè)的預(yù)警值如表5所示。

根據(jù)表5，可以將總的沉降預(yù)警值分配到每一步施工過(guò)程中，更便于合理地控制每一步施工過(guò)程，也可以在每一步施工完成時(shí)，對(duì)現(xiàn)有施工做一個(gè)合理的評(píng)判。如若在某一步達(dá)到警戒值，可以對(duì)后來(lái)施工過(guò)程進(jìn)行調(diào)整，以免整體的施工超出警戒值。根據(jù)現(xiàn)有完成施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，也可以對(duì)未來(lái)每一步的沉降和總的沉降進(jìn)行一個(gè)合理預(yù)測(cè)，這樣既可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)評(píng)估施工方案的合理性，也對(duì)之后的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有一個(gè)恰當(dāng)?shù)嘏袛?，從而?duì)整體工程的施工有一個(gè)較為全面地把控，做到信息的及時(shí)處理以及信息的及時(shí)反饋。

表5 施工分階段控制預(yù)測(cè)預(yù)警值

7 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)西安地鐵六號(hào)線科技八路站～科技六路站區(qū)間礦山法隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論:

(1)在雙連拱隧道淺埋暗挖法施工過(guò)程中，中導(dǎo)洞土體開(kāi)挖和支護(hù)所引起的地表沉降在總沉降中所占的比值較大，約為58%，左右導(dǎo)洞開(kāi)挖所引起的地表沉降相較于中導(dǎo)洞來(lái)說(shuō)較小，約為42%。

(2)各開(kāi)挖關(guān)鍵步序的沉降槽的變化基本一致，隧道開(kāi)挖的橫向影響范圍基本在25 m之內(nèi)，20 m之外的地表沉降基本在2 mm之內(nèi)。

(3)中洞開(kāi)挖引起的沉降大于左洞開(kāi)挖引起的沉降、大于右洞開(kāi)挖引起的沉降，先行開(kāi)挖隧道引起的變形較大，要考慮危險(xiǎn)源的位置，合理優(yōu)化開(kāi)挖步序。

(4)根據(jù)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果，對(duì)未來(lái)沉降的預(yù)測(cè)均在預(yù)警值之內(nèi)，滿足施工要求。