高曉剛 尹學(xué)鑫 崔 凱 舒文韜 馬龍祥

(1.中鐵三局集團廣東建設(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,高級工程師)

近些年來,隨著城市地鐵的大規(guī)模建設(shè)以及為滿足地鐵運營的自身需求,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,淺埋大跨暗挖地鐵隧道往往采用多導(dǎo)洞分部開挖的方式進行修建,在此背景下,導(dǎo)洞的施工力學(xué)效應(yīng)及開挖方案對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)者針對大斷面暗挖隧道導(dǎo)洞開挖的合理施工方案及其對環(huán)境的影響開展了研究,取得了系列成果。文獻[2-4]分別對CRD(交叉中隔壁)法及洞樁法施工中導(dǎo)洞施工順序、施工錯距等施工參數(shù)對施工安全及周邊環(huán)境的影響進行了研究,并對導(dǎo)洞施工方案進行了優(yōu)化;文獻[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跨度較小、導(dǎo)洞數(shù)量不多的拱蓋法地下工程開展了相應(yīng)研究。然而,隨著地下空間開發(fā)的不斷深入,采用多導(dǎo)洞(多于3個導(dǎo)洞)拱蓋法施工的超大跨地下工程在近些年也開始涌現(xiàn)。隨著導(dǎo)洞數(shù)量的增多,拱蓋法施工中多個導(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重要且亟待解決的現(xiàn)實問題。有鑒于此,本文以廣州地鐵11號線華景路站—華師站區(qū)間超大跨拱蓋法施工工程為依托對此問題開展系統(tǒng)性研究,以期為類似工程提供一定參考。

1 工程概況

廣州地鐵11號線在華景路站—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(見圖1),且周圍環(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)隧道先行通過的條件下,采用雙層初支拱蓋法的施工方式進行修建。由于隧道跨度大,扣拱的澆筑通過6個導(dǎo)洞的開挖來提供建造空間(見圖1)。大跨區(qū)段具體施工時,先在隧道拱部80°范圍內(nèi)打設(shè)直徑159 mm、壁厚10 mm、長度45 m、環(huán)向間距350 mm的超前大管棚,然后進行導(dǎo)洞分部開挖并及時施作拱腳錨桿、一層初期支護和臨時支撐,待邊導(dǎo)洞貫通后開始施做縱梁,在縱梁強度達到設(shè)計要求且全部導(dǎo)洞貫通后再施做二層初期支護,最后在兩層初期支護與縱梁共同組成的拱蓋承載體系保護下進行臨時支撐拆除、下部空間開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)洞開挖過程中,存在較大的施工安全及地層過量沉降變形風(fēng)險。鑒于此,有必要對該工程導(dǎo)洞的施工方案開展優(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)險及對周圍環(huán)境的影響。

注:1,2,…,6代表6個導(dǎo)洞編號;L為錨桿長度。

2 數(shù)值分析模型

2.1 模型建立

采用三維有限差分數(shù)值計算軟件FLAC3D建立三維數(shù)值模型,從導(dǎo)洞施工順序、施工錯距及施工進尺等關(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(長度×高度×寬度)為200.0 mm×86.9 mm×40.0 mm(見圖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)力場作為初始地應(yīng)力場。隧道圍巖考慮為均質(zhì)理想彈塑性材料,服從Mohr-Coulomb(摩爾-庫侖)屈服準則,并合理簡化為水平地層,采用三維實體單元進行模擬;盾構(gòu)管片、第一層初期支護和臨時支撐考慮為彈性材料,采用殼單元模擬;超前支護通過設(shè)置等效加固區(qū)進行模擬[7];錨桿采用軟件內(nèi)置結(jié)構(gòu)單元——錨索單元進行模擬,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)勘察報告、室內(nèi)物理力學(xué)試驗資料和相應(yīng)材料參數(shù)進行選取。第一層初期支護與臨時支撐均采用根據(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算。模型的計算參數(shù)如表1所示。

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

2.3 施工過程模擬

本文主要對依托工程導(dǎo)洞的施工方案進行優(yōu)化研究,因此僅對工程導(dǎo)洞開挖過程及鄰近工序進行模擬。為了探明導(dǎo)洞的合理施工方案,論文將設(shè)置多種導(dǎo)洞開挖方案進行分析研究。對于每一種導(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→盾構(gòu)隧道開挖貫通→施做超前管棚→各導(dǎo)洞依照相關(guān)順序與施工參數(shù)進行全斷面開挖并施做第一層初期支護與臨時支撐→施做邊導(dǎo)洞縱梁。

3 導(dǎo)洞施工參數(shù)對周邊環(huán)境的影響

3.1 導(dǎo)洞施工順序影響分析

考慮對稱施工和非對稱施工條件下各導(dǎo)洞的施工順序,并根據(jù)施工現(xiàn)場的可行性,確定如表2所示的7組不同導(dǎo)洞施工順序作為分析計算工況(導(dǎo)洞編號見圖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號導(dǎo)洞與其余導(dǎo)洞對向開挖,這樣可以在一定程度上避免或減輕施工過程中不同導(dǎo)洞施工的時空交叉,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)洞施工進尺統(tǒng)一取為1 m,不同導(dǎo)洞掌子面縱向錯距統(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)作為研究目標面,選取各工況中有代表性的幾個施工狀態(tài),探究在不同導(dǎo)洞施工順序過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)順序開挖至目標面狀態(tài)及后面縱梁施做至目標面與導(dǎo)洞全部貫通狀態(tài),即對于表2中1-1—1-4的對稱開挖工況,分析5個施工狀態(tài);而對于1-5—1-6的非對稱開挖工況,均分析8個施工狀態(tài)。具體以工況1-1為例,施工狀態(tài)1、2、3分別對應(yīng)于導(dǎo)洞12、34、56開挖至目標面,而施工狀態(tài)4與5則分別對應(yīng)于縱梁施做至目標面狀態(tài)及導(dǎo)洞全部貫通狀態(tài)。其余工況依此類推。

不同導(dǎo)洞施工順序條件下目標面處圍巖最大豎向位移隨施工進程變化曲線如圖3所示。由圖可以看出:位于拱蓋跨中的導(dǎo)洞1、2的開挖對于圍巖豎向位移的影響較大,工況1-1和工況1-5由于先開挖導(dǎo)洞1和導(dǎo)洞2,其圍巖豎向位移在施工初期就會發(fā)展到比較大的量值;非對稱開挖(工況1-5—1-7)相較于對稱開挖(工況1-1—1-4)對于控制圍巖豎向位移更有優(yōu)勢,這是因為對稱開挖同時挖除的斷面面積要明顯大于非對稱開挖,因而會對圍巖產(chǎn)生更大的擾動。因此,從周邊環(huán)境影響的控制出發(fā),并進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程變化曲線(不同導(dǎo)洞施工順序)

3.2 導(dǎo)洞施工進尺影響分析

為探究導(dǎo)洞施工進尺對圍巖變形的影響,設(shè)置施工進尺分別為0.5 m、1.0 m、2.0 m、4.0 m的4種工況進行計算分析。各工況分析中,導(dǎo)洞施工錯距統(tǒng)一取為5 m,施工順序統(tǒng)一按工況1-7進行。同樣選取中間斷面作為研究目標面,分析工況1-7中8個典型施工狀態(tài)下目標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程變化曲線(不同導(dǎo)洞施工進尺)

從圖4中可以看出:不同導(dǎo)洞施工進尺條件下,圍巖位移在施工過程中存在顯著差異,進尺越大,圍巖位移越大;就最終狀態(tài)而言,施工進尺由0.5 m增加到4.0 m時,圍巖最大豎向位移會從-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,為了控制對周邊環(huán)境影響,本工程導(dǎo)洞的施工進尺選擇為0.5 m最為有利。

3.3 導(dǎo)洞施工錯距影響分析

為探究導(dǎo)洞施工錯距對圍巖變形的影響,設(shè)置4 m、6 m、8 m、10 m的4種施工錯距工況進行計算分析。在分析中,導(dǎo)洞施工進尺統(tǒng)一取為0.5 m,施工順序統(tǒng)一按工況1-7進行。同樣選取中間斷面作為研究目標面,分析施工順序工況1-7中8個典型施工狀態(tài)下目標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程變化曲線(不同導(dǎo)洞施工錯距)

從圖5可以看到:由于不同的導(dǎo)洞施工錯距會導(dǎo)致圍巖橫向和縱向的成拱效應(yīng)產(chǎn)生一定差別,因此不同施工錯距對不同施工階段圍巖變形的影響有所不同,但總體而言,不同錯距對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研究

為了進一步探明導(dǎo)洞合理施工方案,通過正交試驗方法綜合考慮導(dǎo)洞施工順序、施工錯距和施工進尺3種關(guān)鍵施工參數(shù)聯(lián)合作用下的圍巖-支護結(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)場導(dǎo)洞施工方案。

4.1 正交試驗方案設(shè)計

以導(dǎo)洞施工順序(A)、施工錯距(B)和施工進尺(C)為影響因素,設(shè)計3種因素3個水平的無交互作用的等水平正交試驗,試驗的因素和水平如表3所示。

表3 導(dǎo)洞合理施工方案正交試驗因素和水平

在具體試驗時,依據(jù)L9(33)正交表進行相應(yīng)工況的數(shù)值計算,并選擇最終狀態(tài)圍巖位移、圍巖應(yīng)力及支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力作為評價指標,綜合評價各工況施工力學(xué)響應(yīng)的優(yōu)劣。

4.2 正交試驗結(jié)果分析

通過數(shù)值計算得出正交試驗結(jié)果,并按照正交試驗分析原理[9]計算各因素每個水平試驗值的平均值,并繪制其與評價指標的關(guān)系曲線,如圖6所示。從圖6中可以看出,導(dǎo)洞施工順序、施工錯距和施工進尺對于圍巖最大位移、圍巖最小主應(yīng)力、支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響顯著性排序依次為:施工進尺>施工順序>施工錯距。而各種施工參數(shù)對于圍巖最大主應(yīng)力的影響顯著性排序依次為:施工順序>施工進尺>施工錯距。因此,總的來說對于導(dǎo)洞施工效果影響最大的施工參數(shù)為施工進尺,其次為施工順序,而影響最小的是施工錯距。

a) 圍巖最大豎向位移

對于圍巖位移而言,圍巖位移越小方案越好,因此僅從圍巖位移來看最優(yōu)施工方案為:A1B2C1。對于圍巖應(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;同時圍巖最小主應(yīng)力的絕對量值也是越小越好,因此僅從圍巖應(yīng)力來看最優(yōu)施工方案為:A3B2C1。對于支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力而言,支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力越小越好,因此僅從支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力來看最優(yōu)施工方案為:A1B2C2。對于依托工程,需綜合考慮圍巖位移、應(yīng)力和支護結(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)施工順序為3′→4→1→2→5→6,最優(yōu)施工錯距為6 m,最優(yōu)施工進尺為0.5 m。因為采用這樣的導(dǎo)洞施工方案,不僅能控制本工程對周邊環(huán)境的影響,而且還可同時兼顧圍巖與支護結(jié)構(gòu)受力安全以及對現(xiàn)場施工效率的要求。

5 優(yōu)化方案現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

依據(jù)導(dǎo)洞方案優(yōu)化結(jié)果,現(xiàn)場按照建議的導(dǎo)洞施工方案進行了施工。截至目前,最后開始施工的導(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)洞均已開挖通過該斷面)導(dǎo)洞拱頂沉降實測值與導(dǎo)洞施工數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析,如圖7所示。通過對比可知,導(dǎo)洞拱頂位移現(xiàn)場實測值與數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的一致性,驗證了數(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,導(dǎo)洞施工優(yōu)化方案在現(xiàn)場取得了良好的應(yīng)用效果。

圖7 DK7+852里程處導(dǎo)洞拱頂位移實測值與數(shù)值模擬值對比

6 結(jié)論

1) 非對稱開挖方式相較于對稱開挖方式對于控制圍巖位移更為有利,同時,先開挖中間導(dǎo)洞會導(dǎo)致整個施工過程中圍巖位移始終處于較大量值水平,不利于施工風(fēng)險管控。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“非對稱開挖”的原則。

2) 導(dǎo)洞施工參數(shù)對于圍巖變形、圍巖最小主應(yīng)力、支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響顯著性排序依次為:施工進尺>施工順序>施工錯距;對于圍巖最大主應(yīng)力的影響顯著性排序依次為:施工順序>施工進尺>施工錯距。因此,總體而言,在上軟下硬地質(zhì)條件下,對于超大跨多導(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)為施工進尺,其次為施工順序,而影響最小的是施工錯距。

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