王麗敏,賈 虎,汪海波,楊 明

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.南陽師范學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院,河南 南陽 473061;3.中煤第三建設(shè)(集團)有限責(zé)任公司,安徽 合肥 230000)

礦山法是地下工程重要的開挖方式,城市隧道施工為控制地層沉降常采用CRD法[1]、CD法[2]和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法[3]等分部開挖方法。無論采用哪種方法,隧道開挖都避免不了因圍巖應(yīng)力重分布產(chǎn)生的位移,位移的產(chǎn)生對地面的建(構(gòu))筑物的安全帶來影響。同時,不同的開挖方法與機械設(shè)備、施工效率和工期密切相關(guān),因此隧道城市隧道開挖的效率和安全性成為一個矛盾集合體,也是影響當(dāng)前隧道安全施工的關(guān)鍵。

眾多專家學(xué)者對不同條件下隧道的施工方法進行研究,杜曉偉等[4]以京津城際延伸線穿越金元寶海鮮宮的工程為背景,發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)隧道施工對鄰近樁基礎(chǔ)建筑物產(chǎn)生沉降及變形影響。周飛等[5]以新鼓山單洞雙線隧道為背景,利用有限元軟件對不同開挖方法和不同支護方式的隧道變形進行分析,結(jié)果表明采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖可減小隧道下穿段施工的風(fēng)險,采用單層大管棚加小導(dǎo)管注漿方式的超前支護可保證施工安全。崔鐵軍等[6]采用數(shù)值模擬對礦山法雙線地鐵施工進行沉降分析得到施工時地表沉降規(guī)律。馮國冠[7]對盾構(gòu)施工地表沉降的過程進行分析,并提出控制地表沉降的有效措施。崔光耀等[8]以北京地鐵暗挖區(qū)間隧道為背景,利用數(shù)值模擬對中隔壁法(CD法)和洞樁法(PBA法)開挖隧道在四種不同施工順序下進行研究得到施工順序?qū)ξ灰频挠绊?。湯勁松等[9]對隧道以臺階法和分部開挖法進行模擬分析,結(jié)果表明對于偏壓地形先開挖支護淺埋一側(cè)后開挖深埋一側(cè)有利于拱部圍巖的穩(wěn)定。溫樹杰等[10]以實際工程為例,對交叉中隔墻法(CRD法)施工進行分析,結(jié)果表明在考慮滲流的情況下圍巖拱頂位移比拱腰和拱底大。張志強等[11]以山嶺重丘區(qū)高速公路工程為依托,模擬分析了三導(dǎo)洞法和中導(dǎo)洞法連拱隧道施工過程,研究結(jié)果指出埋深、圍巖性質(zhì)和施工工法對連拱隧道中隔墻荷載影響大,中導(dǎo)洞工法配合大型機械施工可大程度縮短工期。李兆平等[12]對大直徑盾構(gòu)隧道PBA工法擴挖進行分析,結(jié)果表明在施工設(shè)計時必須考慮到非對稱開挖兩側(cè)中洞對中隔墻應(yīng)力分布狀態(tài)的影響。唐偉等[13]對淺埋偏壓雙連拱隧道采用三導(dǎo)洞施工法不同施工順序進行模擬分析,結(jié)果表明先外后內(nèi)的施工順序更有利于圍巖的穩(wěn)定。王飛等[14]以某高速公路雙連拱隧道為背景,研究導(dǎo)洞法和臺階法對圍巖穩(wěn)定性的影響,結(jié)果表明采用導(dǎo)洞法開挖隧道底部的位移量和分布范圍可得到有效控制。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,采用ANSYS有限元軟件以某地鐵出入場隧道施工為背景,建立出入場線隧道開挖、支護計算模型,分別對雙中隔壁臺階法、CD法開挖過程進行數(shù)值模擬,比較兩種開挖方法對隧道的位移和襯砌應(yīng)力的影響,為現(xiàn)場施工提供指導(dǎo)。

1 基本概況

1.1 工程概況

某地鐵施工出入場線的凈寬為11.8m,凈高為9.6m。左、右兩隧道的凈寬為6.98m,凈高為7.401m。根據(jù)設(shè)計資料,出入場線隧道臨時支護中隔墻厚度0.3m,采用工22A工字鋼、C25素噴早強混凝土、縱向連接筋直徑22mm、鋼筋網(wǎng)為直徑8mm間距150×150mm,具體襯砌斷面形式和參數(shù)如圖1所示,各巖土體及噴射混凝土基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 襯砌斷面圖

表1 巖土體和噴射混凝土參數(shù)

1.2 施工方案優(yōu)化

根據(jù)總體規(guī)劃,正線區(qū)間隧道工作面先行施工,左線、右線和出入場線工作面互相之間距離不小于25m。施工工序平面圖如圖2所示。

(a)CD法

(b)雙中隔壁臺階法

圖2中各序號為施工先后順序,CD法將隧道從中間分為左右兩部分,同時開挖左邊部分再開挖右邊部分;雙中隔壁臺階法是以CD法為基礎(chǔ)分臺階先開挖左右兩部分上部臺階,再開挖中間臺階左右部分,最后開挖下臺階左右部分,從而確保開挖過程中的穩(wěn)定性。

2 計算模型的建立

計算目的是比較兩種不同開挖方法對隧道開挖過程中變形的影響,對于實際工程采用雙中隔壁臺階法和CD法兩種方法對出入場線隧道開挖、支護過程進行模擬。利用ANSYS建立模型,以隧道的中點處為原點,建一個長120m、寬20m、高47m的矩形,左右兩邊界均取54.1m,下邊界取20m。數(shù)值計算在材料參數(shù)中將圍巖定義D-P本構(gòu)模型[15],以solid45單元、shell63單元分別模擬圍巖和支護結(jié)構(gòu)[16],并建立圍巖的面模型和支護的線模型,線模型拉伸為殼模型,面拉伸為體模型。在隧道開挖和支護通過賦予單元“生、死”[17]。

劃分好網(wǎng)絡(luò)的隧道計算模型如圖3所示。隧道穿過中風(fēng)化石灰?guī)r和紅粘土,中隔墻用工22A工字鋼、C25混凝土且加固其厚度為0.6m,然后沿出入場線隧道開挖方向每2m選取一個斷面,研究拱頂、拱腰和拱底位移量變化值。

圖3 三維有限元模型

3 計算結(jié)果與分析

3.1 單個隧道開挖拱頂豎向位移特征

模擬計算分析時,隧道每次開挖2m,得到出入場線隧道兩種開挖方法不同開挖長度上各個截面拱頂處豎向位移變化趨勢,如圖4所示。

(a)雙中隔壁臺階法

(b)CD法

對比圖4(a)、圖4(b),隧道拱頂豎向位移變化規(guī)律基本一致:在距離隧道口0m、2m、4m處,隨著開挖長度逐步增長,拱頂豎直位移先增大,到開挖長度8m時趨于一個穩(wěn)定值,采用雙中隔壁臺階法時在距離隧道口0m處最終穩(wěn)定值最大達到16.2mm,CD法達到19.3mm;距離隧道口6m、8m、10m處,在開挖長度超過4m后,拱頂豎直位移才開始增大,且隨著開挖長度增加,采用雙中隔壁臺階法時在距離隧道口10m處豎直位移最小達到13.8mm,CD法達到14.5mm。因此開挖變形隨著斷面沿開挖方向越靠近里面,最終的穩(wěn)定位移越小,且CD法開挖的隧道,豎向位移較大,但是也在施工要求的合理變形范圍內(nèi)[18]。

距隧道口0m處,在開挖長度4m內(nèi)的豎直位移達到最大;距隧道口2m處,在開挖長度4m內(nèi)的豎直位移達到最大;距隧道口4m處,在開挖長度2m至6m內(nèi)的豎直位移變化最大;距隧道口6m處,在開挖長度4m至8m內(nèi)的豎直位移變化最大;距隧道口8m處,在開挖長度6m至10m內(nèi)的豎直位移變化最大;距隧道口10m處,在開挖長度6m至10m內(nèi)的豎直位移變化最大。因此施工時要控制好一次開挖的距離,并及時增加支護,避免因距離過大引起冒頂。

3.2 單個隧道開挖拱腰水平位移特征

出入場線隧道開挖時各個觀測截面拱腰處水平位移變化趨勢,如圖5所示。

(a)雙中隔壁臺階法

(b)CD法

由圖5可知,兩種開挖方法拱腰監(jiān)測點處的水平位移都比拱頂?shù)呢Q直位移小,這是由于對淺埋隧道,隧道的上方無法形成塌落拱,而位移主要集中在拱頂和拱肩,因此拱腰位移較小。在距離隧道口0m、2m、4m處,隨著開挖長度逐步增加,拱腰水平位移逐漸增大,采用雙中隔壁臺階法時在距離隧道口0m處豎直位移最大達到0.71mm,CD法達到1.42mm。距離隧道口6m、8m、10m處,在開挖長度超過2m后拱腰位移就已經(jīng)開始增大。隨著開挖長度增加,采用雙中隔壁臺階法時在距離隧道口10m處豎直位移最小達到0.21mm,CD法達到0.31mm。CD法開挖的隧道拱腰水平位移也較中隔壁法大,但也在施工要求的合理變形范圍。

距隧道口0m處,在開挖長度8m內(nèi)的豎直位移達到最大;距隧道口2m處,在開挖長度8m內(nèi)的豎直位移達到最大;距隧道口4m處,在開挖長度2m至10m內(nèi)的豎直位移變化最大;距隧道口6m處,在開挖長度2m至10m內(nèi)的豎直位移變化最大;距隧道口8m處,在開挖長度2m至10m內(nèi)的豎直位移變化最大;距隧道口10m處,在開挖長度2m至10m內(nèi)的豎直位移變化最大。因此相比拱頂位移拱腰位移影響范圍更大。

3.3 單個隧道開挖拱底豎向位移特征

出入場線隧道各個截面拱底豎向位移,如圖6所示。

(a)雙中隔壁臺階法

(b)CD法

由圖6可知,采用雙中隔壁臺階法開挖隧道時剛開挖拱底豎向位移最大為4.95mm,而CD法較雙中隔壁臺階法大為8.75mm,隨著開挖長度的增加拱底豎向位移先減小再趨于穩(wěn)定值。雙中隔壁臺階法開挖隧道在距隧道口0m處開挖長度10m位移最小為3.45m,CD法為6.75mm,仍然是CD法的位移明顯比雙中隔壁臺階法大,但兩種方法開挖隧道對于拱底豎向位移變化量都不大。對比圖4、圖5和圖6,拱頂豎直位移的變化量是最大的,由此看出,雙中隔壁臺階法和CD法兩種不同的開挖方法對拱頂豎直位移的變化影響最大。

3.4 單個隧道開挖襯砌結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力特征

模擬計算分析隧道埋深17m時,不同開挖長度雙中隔壁臺階法和CD法在開挖隧道襯砌結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力,隧道開挖2m埋深17m出入場線隧道兩種方法開挖支護結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖如圖7所示,隧道開挖10m埋深17m中線隧道兩種方法開挖支護結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖如圖8所示。

(a)雙中隔壁臺階法

(b)CD法

(a)雙中隔壁臺階法

(b)CD法

由圖7可知,采用雙中隔壁臺階法開挖隧道,隧道埋深17m開挖至2m時襯砌結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力最大值為16.4MPa,且最大等效應(yīng)力位于偏向拱腰處;采用CD法開挖隧道,隧道埋深17m開挖至2m時襯砌結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力最大值為19.6MPa,最大等效應(yīng)力位于拱頂處。由圖8可知,開挖至10m處利用雙中隔壁臺階法開挖隧道的襯砌結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力最大值為19.9MPa,最大等效應(yīng)力位于偏向拱腰處;開挖至10m處利用CD法開挖隧道的襯砌結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力最大值為24.1MPa,最大等效應(yīng)力位于拱頂處。

由圖7和圖8分別對比采用CD法和雙中隔壁臺階法開挖隧道可知采用CD法開挖隧道的襯砌結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力最大值較大且最大值位于拱頂處,雙中隔壁臺階法的最大應(yīng)力值位于偏向拱腰處。這是由于雙中隔壁臺階法將隧道開挖部分分為6部開挖,而CD法是將開挖部分分為2部開挖,所以雙中隔壁臺階法開挖使襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力不是集中在拱頂處,同時每臺階均可使用機械開挖也提高了隧道開挖的速度。

4 現(xiàn)場監(jiān)測

4.1 現(xiàn)場施工情況

現(xiàn)場采用雙中隔壁臺階法分三臺階開挖隧道,具體施工步驟:先開挖上左部①區(qū)開挖高度應(yīng)不大于3.5m,施工5～6m后再施工右部②區(qū)(開挖高度與1號相同);②區(qū)施工5～6m后再開挖中左部③區(qū),③區(qū)開挖高度應(yīng)不大于4m,施工5～6m后再開挖中右部④區(qū)(開挖高度與3號相同);④區(qū)施工60～80m后再開挖下左部⑤區(qū)(一次性開挖15m),施工下部雙中隔壁單邊封閉成環(huán);⑤區(qū)施工完畢后利用棧橋出矸,再開挖下右部⑥區(qū),拆除雙中隔壁初支封閉成環(huán)(綁扎鋼筋澆筑二襯仰拱)?，F(xiàn)場施工情況如圖9所示。

(a)①區(qū)開挖

(b)上臺階開挖

4.2 實測數(shù)據(jù)

在實際工程中,每隔10m設(shè)置一個斷面監(jiān)測拱頂位移和地表位移,出入場線開挖DK45+858(距隧道口0m)、DK45+868(距隧道口10m)兩斷面30天的位移監(jiān)測值如圖10所示。

(a)DK45+858斷面監(jiān)測點位移

(b)DK45+868斷面監(jiān)測點位移

由圖10可知,在隧道開挖后拱頂位移和地表位移都比較穩(wěn)定沒有大的浮動,DK45+858(距隧道口0m)處拱頂位移在17.2mm～18.3mm之間,地表位移在21mm～22mm之間,DK45+868(距隧道口10m)處拱頂位移在18.5mm～19.7mm之間,地表位移在21mm～22mm之間,且都在警戒值之內(nèi)。地表位移比拱頂位移大說明在雙中隔壁臺階法施工中隧道頂部有較強的支撐作用。

4.3 實測數(shù)據(jù)對比分析

出入場線開挖時,不同的開挖天數(shù),監(jiān)測點1(DK45+858)和監(jiān)測點2(DK45+868)的拱頂豎直位移模擬值與實際監(jiān)測值如圖11所示,圖中模擬值與實際監(jiān)測值的差距均在1mm以內(nèi),在警戒值范圍之內(nèi),表明模擬結(jié)果可靠,可以為實際工程應(yīng)用提供參考。

圖11 監(jiān)測值與模擬值對比

結(jié)語

(1)雙中隔壁臺階法的拱頂、拱腰和拱底位移均小于CD法的位移,拱頂位移差距不超過3mm,拱腰位移差距不超過1mm,拱底位移差距不超過4mm,且位移變化均在安全變形范圍內(nèi),因此采用雙中隔壁臺階法開挖隧道位移變形控制效果較好。

(2)在相同的埋深下從開挖2m到10m時雙中隔壁臺階法的最大襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加3.5MPa位置偏向拱腰處,CD法增加4.5MPa位于拱頂,且雙中隔壁臺階法的襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于CD法的襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力,兩種方法的襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力的最大值都小于C25襯砌結(jié)構(gòu)的抗壓強度。基于雙中隔壁臺階法和CD法的襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況應(yīng)加強拱頂和拱腰處的支護,避免應(yīng)力過大,發(fā)生安全事故。

(3)對比兩種開挖方法,采用雙中隔壁臺階法施工位移變形和襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力均在安全范圍內(nèi)控制效果較好,且每臺階均可使用機械施工提高了開挖效率,因此在淺埋隧道開挖時可優(yōu)先考慮雙中隔壁臺階法。