方詩濤,蘇孝偉,余群舟,陳 健

(1.武漢地鐵集團有限公司,湖北 武漢 430070; 2.華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,湖北 武漢 430074; 3.國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展,城市化速度穩(wěn)步提升,為緩解應(yīng)運而生的“城市病”,如土地資源緊張、交通堵塞和環(huán)境污染等[1],城市地下交通建設(shè)的發(fā)展也提上進程。截至2019年底,我國城市地下空間利用的總面積約22億m2,全國已開通運營的鐵路、公路、地鐵隧道總里程達42 187km。

富水卵礫石泥砂地層作為地鐵施工中常遇到的復(fù)雜地層之一,其由卵礫石充填泥砂組成,具有地層結(jié)構(gòu)松散、膠結(jié)性差、自穩(wěn)能力弱、砂卵石顆粒間點對點傳力等特點[2]。施工過程中,易出現(xiàn)掌子面涌水、卵礫石層坍塌、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性差等工程問題,開挖風(fēng)險較高、難度大。因此,在施工過程中,通過技術(shù)方案調(diào)整完善施工工藝,采取超前預(yù)加固措施降低施工安全風(fēng)險,成為每位地鐵建設(shè)者的信仰。Mu等[3]采用多種分析方法對隧道襯砌結(jié)構(gòu)在不同土體中的變形特征展開研究,并提出優(yōu)化共軛梁法,用以分析襯砌變形和地面沉降。Cai等[4]借助ABAQUS對港珠澳大橋的某段隧道進行數(shù)值模擬分析,提出了一種適用于富水軟弱地層的新型超前預(yù)加固措施,即凍封頂管法。朱澤兵等[5]提出了一種適用于淺埋富水軟弱黃土地層隧道開挖的施工方法,即超短臺階上弧導(dǎo)坑法配合小導(dǎo)管超前支護,并成功在實際工程中得到應(yīng)用。

本文以武漢市某區(qū)間地鐵隧道工程實例為研究背景,采用文獻調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬、工程驗證等方法,研究淺埋暗挖隧道穿越富水卵礫石泥砂地層的施工難點和風(fēng)險。采用有限元軟件PLAXIS 2D/3D模擬隧道在不同工況下的施工影響,驗證超前預(yù)加固優(yōu)化方案和開挖方案的可行性,針對淺埋暗挖隧道及其影響范圍內(nèi)的標(biāo)志性建筑、地表沉降進行敏感性分析。

1 工程概況

1.1 工程簡介

武漢市某區(qū)間隧道里程范圍為右線全長1 584m, 左線全長1 608m,區(qū)間隧道的開挖分別采用暗挖法、明挖法和盾構(gòu)法,其平面布置如圖1所示。本文針對暗挖區(qū)間隧道展開研究,其中暗挖隧道段右線長126m、左線長131m,采用礦山法施工,輔以超前預(yù)加固措施。

1.2 隧道施工方案

本區(qū)間隧道施工主要采用CRD法和臺階法,從區(qū)間場地的右側(cè)向左側(cè)掘進,采用超前小導(dǎo)管或管棚支護輔助施工,采用馬蹄形斷面復(fù)合式襯砌,其尺寸約為7.10m×7.09m,斷面如圖2所示。初期支護采用鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土和格柵鋼架組合而成,施工時輔以臨時支護,且于初襯和二襯間敷設(shè)防水層,采用防水、防蝕模筑混凝土作為二次襯砌(見表1),左、右線隧道頂部埋深在自然地面以下19.80～30.17m。

表1 襯砌結(jié)構(gòu)物理參數(shù)

圖2 暗挖隧道斷面

1.2.1區(qū)間隧道前期施工方案

本區(qū)間隧道暗挖段主要穿越富水卵礫石泥砂地層,埋深淺,地層遇水穩(wěn)定性極差,泥砂隨水流失,造成卵礫石剝落,產(chǎn)生失穩(wěn)情況。前期采用洞內(nèi)深孔帷幕注漿進行止水,隧道開挖時輔以降水工程。深孔帷幕注漿施工采用長短管注漿工藝,“水泥-水玻璃”雙液漿作為注漿材料。待完成注漿效果監(jiān)測后,采取超前小導(dǎo)管預(yù)加固注漿地層,并作超前支護輔助施工。采用CRD法對土體進行開挖,但開挖過程中掌子面出現(xiàn)涌水,造成卵礫石層垮塌,難以保證安全作業(yè)空間。

1.2.2區(qū)間隧道優(yōu)化施工方案

為保證區(qū)間隧道安全施工,考慮將長短管結(jié)合注漿工藝變更為全斷面注漿工藝,將超前小導(dǎo)管變更為管棚支護,同時根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果考慮是否增設(shè)超前小導(dǎo)管進行補充加固。主要采用臺階法進行施工,在下穿地下車行通道時采用CRD法進行施工。

2 數(shù)值模型構(gòu)建

本文以武漢市某區(qū)間地鐵隧道工程實例為研究背景,采用有限元軟件PLAXIS 2D/3D對淺埋暗挖隧道在不同工況下采用CRD法和臺階法施工情況進行模擬,驗證超前預(yù)加固優(yōu)化方案和開挖方案的可行性,針對淺埋暗挖隧道及其影響范圍內(nèi)的標(biāo)志性建筑、地表沉降進行敏感性分析。

2.1 數(shù)值模擬基本假定

由于隧道施工過程較復(fù)雜,且受巖土材料基本物理力學(xué)特性隨機性影響,完整模擬隧道實際施工過程很難實現(xiàn)。因此,借助科學(xué)的假定對隧道施工模型進行合理簡化非常有必要。

2.1.1巖土體材料

本數(shù)值模擬中巖土體材料的本構(gòu)模型采用基于彈塑性理論的莫爾-庫侖模型[6],且將其設(shè)置成均勻?qū)訝?。巖土體材料忽略層理、裂隙等不均勻因素,視其為均質(zhì)且各向同性材料。忽略地層中因地質(zhì)軟弱面而引起的不連續(xù),同時不考慮施工時因土體擠壓而產(chǎn)生的膨脹和壓縮變形。

2.1.2襯砌結(jié)構(gòu)

初期支護采用板單元進行模擬,二次襯砌采用實體單元進行模擬,鎖腳錨桿的作用視為提高周圍巖土體材料的物理力學(xué)性能。在數(shù)值模擬過程中,不單獨考慮格柵鋼架的支護作用,而是根據(jù)等效剛度原則將其簡化為對噴射混凝土物理力學(xué)性能的加強作用[7],如式(1)所示:

(1)

式中:E1為折算后初期支護的彈性模量;Ec為噴射混凝土的彈性模量;Ac為噴射混凝土橫截面面積;Eg為鋼材的彈性模量;A0為格柵鋼架橫截面面積。

2.1.3超前小導(dǎo)管與管棚

超前小導(dǎo)管和管棚采用實體單元進行模擬,將其等效為均質(zhì)且具有一定厚度的傘狀結(jié)構(gòu),其長度據(jù)實際施工要求而定。同時,考慮超前小導(dǎo)管和管棚內(nèi)的注漿漿液對其物理力學(xué)性能的增強作用。根據(jù)等效剛度原則,采用式(2)～式(3)對加固區(qū)圍巖物理力學(xué)性能進行折算[8]:

(2)

(3)

式中:E2為小導(dǎo)管或管棚折算后彈性模量;A2為小導(dǎo)管或管棚橫截面面積;Es為小導(dǎo)管或管棚鋼管的彈性模量;As為小導(dǎo)管或管棚鋼管的有效橫截面面積;El為小導(dǎo)管或管棚內(nèi)漿液彈性模量;Al為注漿漿液有效橫截面面積;E3為折算后巖土體材料的彈性模量;E0為原巖土體材料的彈性模量;A0為選取巖土體材料的橫截面面積。

2.2 計算模型

隧道開挖過程中對土體產(chǎn)生的擾動作用沿地層向外傳遞,為充分考慮開挖影響范圍和邊界效應(yīng),隧道模型的左、右邊界不應(yīng)小于隧道斷面尺寸的3～6倍[9],底部邊界應(yīng)大于隧道斷面尺寸的3倍[10]。最終選取數(shù)值模型水平長度為60m,豎向視土層深度而定,深度則視區(qū)段隧道長度而定。計算模型的兩側(cè)邊界采用法向約束,底部邊界采用全約束(法向、切向約束),上部邊界為自由面[11]。

2.3 計算參數(shù)

據(jù)前述假定計算可得襯砌結(jié)構(gòu)計算參數(shù)如表2所示,注漿區(qū)域物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表2 襯砌結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

表3 注漿區(qū)域計算參數(shù)

3 數(shù)值模擬的驗證結(jié)論

3.1 施工工法對地層變形及地表沉降影響研究

3.1.1CRD法與臺階法對比分析

采用CRD法和臺階法輪換施工,根據(jù)地層條件及下穿情況選擇合適工法。但因施工工藝復(fù)雜、施工風(fēng)險大,本節(jié)選取施工過程中的典型斷面,借助PLAIXS 2D探究在相同地質(zhì)條件下各施工工法對地層變形及地表沉降的影響(見表4～6及圖3～5)。

表4 工況1～6場地地層分布情況

表5 工況1～6差異性對比

表6 工況1～6地表沉降曲線特征及最大地表沉降值

圖4 工況1～6豎向位移云圖

對比地表沉降曲線可知,采用臺階法的計算結(jié)果略優(yōu)于CRD法。隨著隧道的開挖,巖土體受擾動次數(shù)增加,地層變形開始疊加,當(dāng)施作二次襯砌后,地表沉降最大值及沉降槽的范圍均有所減小,且地表沉降槽的形狀與Peck曲線相近[12]。同時,采用臺階法開挖引起的地表沉降較CRD法小,其中單線開挖平均降低50.00%,雙線開挖平均降低47.68%。同時,受開挖順序的影響,先開挖的洞室上方地層率先產(chǎn)生沉降變形,因此CRD法產(chǎn)生的地表沉降槽的位置偏向于先開挖的導(dǎo)洞,而臺階法則是位于隧道中心線的正上方。

由圖5分析可知,隧道雙線施工存在相互影響,單線開挖的地表沉降值均小于雙線開挖,雙線同時開挖的地表沉降值均大于先開挖左線后開挖右線。單線開挖的地表最大沉降值產(chǎn)生于開挖洞室正上方,呈左右對稱的V形;對于雙線隧道軸線上方的中心區(qū)域地表沉降曲線逐漸趨于平緩,其最大地表沉降點發(fā)生在兩隧道的中心位置,而對于雙線分別開挖的工況,地表沉降槽的對稱軸將從左側(cè)隧道的正上方逐漸過渡到兩隧道的軸線中心處。同時,隧道兩側(cè)3～4倍隧道斷面尺寸以外區(qū)域的地表沉降為0。

圖5 工況1～6地表沉降曲線

3.1.2臺階法開挖過程中的地層變形分析

為探究臺階法開挖過程中對地層變形的影響情況,借助PLAXIS 3D建立尺寸為60m×60m×36.5m的三維計算模型分析結(jié)構(gòu)變形特性及地層變形特征,開挖進尺為3m,上下導(dǎo)洞的間隔≤6m(見表7及圖6～7)。

表7 工況7場地地層分布情況

圖6 工況7計算模型

為控制地表沉降,施工過程中采取全斷面注漿+管棚支護的超前預(yù)加固措施,實際施工過程中對各區(qū)段隧道分別選取監(jiān)測斷面展開分析,針對如上臺階法施工工況,在y=30m處設(shè)置監(jiān)測斷面,觀察隧道開挖至0,12,24,36,48,60m時對監(jiān)測斷面地表沉降的影響。監(jiān)測斷面地表橫向沉降云圖如圖7所示。

圖7 工況7下y=30m處監(jiān)測斷面地表橫向沉降云圖

隨著隧道的開挖,同一斷面內(nèi)的地表沉降值逐漸增大,以y=30m斷面為例,控制斷面的地表沉降最大值從3.74mm增加至9.27mm。以最大地表沉降值為參考,上述控制斷面的地表沉降最大值占比分別為0,5.07%,40.35%,87.82%,100%,100%,由于掌子面的向前推進必定會引起周圍土層擾動,從而引起已開挖部分的地表縱向沉降,由此累加導(dǎo)致地表沉降值增大。當(dāng)隧道從0m開挖至12m時,監(jiān)測斷面處的地表沉降值穩(wěn)定于較小值,對地表沉降未產(chǎn)生較大影響;當(dāng)隧道從12m開挖至48m時,監(jiān)測斷面處的地表沉降值迅速增加,并達到最大值;當(dāng)隧道從48m開挖至60m時,監(jiān)測斷面處的地表沉降變化已趨于穩(wěn)定狀態(tài),從小變形階段過渡到變形速率較大階段,過渡到緩慢變形階段,再過渡到變形穩(wěn)定階段,這也是y=30m監(jiān)測斷面下地表沉降不斷增大的原因。

3.2 超前預(yù)加固措施對地層變形及襯砌結(jié)構(gòu)的影響研究

3.2.1地表沉降分析

根據(jù)超前預(yù)加固措施的作用機理,借助PLAIXS 2D建立加固和非加固數(shù)值模型,研究其在開挖過程中所起作用,對比前后超前預(yù)加固措施對地表沉降、拱頂沉降和拱底沉降及襯砌結(jié)構(gòu)水平位移的控制效果(見表8～11及圖8～10)。

表8 工況8～13場地地層分布情況

表9 工況8～13差異性對比

表10 工況8～13地表沉降曲線特征及最大地表沉降值

圖8 CRD法與臺階法計算模型

圖9 工況8～13豎向位移云圖

圖10 工況8～13地表沉降曲線對比

施工影響區(qū)域不會因超前預(yù)加固措施的形式而變化,其主要集中在每個隧道中心線左、右兩側(cè)的3～4倍隧道斷面尺寸范圍。采取超前預(yù)加固措施搭配機械化、快速、簡單的臺階法進行開挖工作,能確保更好的施工效果。對比2種加固措施,采取全斷面注漿搭配超前管棚的超前預(yù)加固措施較長短管注漿搭配超前小導(dǎo)管引起的地表沉降減少約7.45%。在實際施工過程中,采用優(yōu)化方案不僅能有效控制地層變形和地表沉降,還能加快施工進度。

3.2.2拱頂及拱底豎向位移分析

隧道開挖完成后襯砌結(jié)構(gòu)的豎向位移情況如圖11所示。各工況拱頂、底豎向位移值如表11所示。

表11 拱頂、底豎向位移值

圖11 工況8～13拱頂沉降及拱底豎向位移

采用CRD法施工時拱頂沉降的最大值出現(xiàn)在拱頂?shù)闹行奈恢?拱底隆起的最大值出現(xiàn)在仰拱和墻腳的連接處,其豎向位移大致呈左右對稱,其中工況12因其上部未施作超前預(yù)加固措施,隨著隧道的開挖,在地層應(yīng)力的作用下,其拱頂沉降的最大值達到62.37mm,支護結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象;而采用臺階法施工時拱頂位移的最大值出現(xiàn)在拱部的拱頂和拱肩的連接處,拱底隆起的最大值出現(xiàn)在拱底的中心位置,其豎向位移呈左右對稱。

采用全斷面注漿搭配管棚支護的控制效果最佳。未采取超前預(yù)加固措施在富水卵礫石泥砂地層中施工,拱頂沉降較敏感,若遇地層軟弱面時,可能會出現(xiàn)拱頂坍塌現(xiàn)象。以區(qū)間隧道前期施工方案為參考,采用優(yōu)化施工方案使最大豎向位移降低約59.48%,對豎向位移的控制效果起到良好作用。

3.2.3襯砌結(jié)構(gòu)水平變形分析

隧道開挖完成后襯砌結(jié)構(gòu)的水平變形情況如圖12所示,各工況襯砌結(jié)構(gòu)水平變形值如表12所示。

表12 襯砌結(jié)構(gòu)水平變形值

圖12 工況8～13襯砌結(jié)構(gòu)水平位移

采用CRD法施工時左側(cè)襯砌的最大水平位移出現(xiàn)在左拱肩處,右側(cè)襯砌的最大水平位移出現(xiàn)在右拱肩處,其水平變形大致呈左右對稱,但受導(dǎo)坑開挖順序的影響,先開挖的導(dǎo)坑對后開挖的導(dǎo)坑產(chǎn)生預(yù)變形,使其開挖完成后水平變形值略大[13];而采用臺階法施工時左側(cè)襯砌的最大水平位移出現(xiàn)在拱腰處,右側(cè)襯砌的最大水平位移出現(xiàn)在右拱腰處,其水平變形呈左右對稱,且最大水平位移也相差無幾。

采取超前預(yù)加固措施對控制襯砌結(jié)構(gòu)水平變形有著較好的控制效果,對比未采取超前預(yù)加固措施的工況,其使得最大水平位移降低約17.58%,其中采用全斷面注漿搭配管棚支護的控制效果最佳。以區(qū)間隧道前期施工方案為參考,采用優(yōu)化方案使最大水平位移降低約8.59%,對水平變形的控制效果起到良好作用。

3.3 隧道施工對地下車行通道沉降和傾斜率的影響研究

為驗證超前預(yù)加固措施在隧道下穿地下車行通道中所起的作用,考慮隧道在地下車行通道前后15m的施工范圍對地下車行通道的沉降和傾斜率的影響進行分析,確定模型尺寸為60m×60m×36.5m(見表13～14及圖13～15)。

表13 工況14～15場地地層分布情況

表14 工況14～15差異性對比

圖13 工況14～15計算模型

圖15 工況14～15地下車行通道底板豎向沉降曲線對比

研究結(jié)果表明,當(dāng)開挖面逐漸接近地下車行通道時,結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)小變形沉降,且在下穿開挖過程中不斷累積;當(dāng)開挖面置于地下車行通道中心位置的下方時,其沉降的增長速率達到最快;當(dāng)開挖面穿過地下車行通道時,其沉降值緩慢增長;當(dāng)開挖面逐漸遠離地下車行通道時,其沉降值開始趨于穩(wěn)定。沉降曲線在兩側(cè)及中心位置出現(xiàn)平緩情況。

隧道下穿地下車行通道施工過程中,若未設(shè)置管棚支護,其結(jié)構(gòu)最大沉降值為19.22mm,傾斜率為0.019%;而當(dāng)增設(shè)管棚支護后,其結(jié)構(gòu)最大沉降值為10.21mm,傾斜率為0.016%,對比分析可知,采取超前預(yù)加固措施后,結(jié)構(gòu)的最大沉降值降低約46.88%,但傾斜率變化較小。沉降值和傾斜率均滿足控制要求,確保了建筑結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)語

1)從施工工法角度出發(fā),采用CRD法和臺階法施工產(chǎn)生的地表沉降曲線與Peck曲線吻合,而在富水卵礫石泥砂地層中采用臺階法的計算結(jié)果略優(yōu)于CRD法,而最大地表沉降值出現(xiàn)在先開挖的導(dǎo)坑一側(cè),隨著開挖工序的進行將不斷向隧道中心過渡。從施工順序角度出發(fā),淺埋暗挖隧道雙線施工存在相互影響,隧道單線開挖的地表沉降值均小于隧道雙線開挖,隧道雙線同時開挖的地表沉降值均大于先開挖左線后開挖右線。隨著隧道的開挖,同一斷面內(nèi)的地表沉降值逐漸增大,以y=30m斷面為例,控制斷面的地表沉降最大值從3.74mm增加至9.27mm。以最大地表沉降值為參考,控制斷面的地表沉降最大值占比分別為0,5.07%,40.35%,87.82%,100%,100%,其沉降分別經(jīng)歷小變形階段、變形速率較大階段、緩慢變形階段和變形穩(wěn)定階段。

2)從超前預(yù)加固措施角度出發(fā),采取全斷面注漿搭配管棚支護的超前預(yù)加固措施較長短管結(jié)合注漿搭配超前小導(dǎo)管對地表沉降、襯砌結(jié)構(gòu)變形的控制效果良好,其中最大地表沉降減少約7.45%,襯砌結(jié)構(gòu)最大豎向位移值降低約59.48%,襯砌結(jié)構(gòu)最大水平位移降低約8.59%。

3)從隧道下穿地下車行通道角度出發(fā),當(dāng)開挖面逐漸接近再到遠離地下車行通道的過程中,結(jié)構(gòu)的變形速率經(jīng)歷了緩慢、最快、緩慢和趨于穩(wěn)定4個階段,當(dāng)開挖面置于地下車行通道正下方時,其沉降值達到最大。對比分析可知,未設(shè)管棚支護時,其結(jié)構(gòu)最大沉降值為19.22mm,傾斜率為0.019%,當(dāng)增設(shè)管棚支護后,最大沉降值為10.21mm,傾斜率為0.016%,結(jié)構(gòu)的最大沉降值降低約46.88%。