鄒 翀，金星亮，高笑娟，胡曦波，梁 斌

(1.中鐵隧道集團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,河南 洛陽 471009；2.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 洛陽 471023；3.中鐵重慶地鐵建設(shè)指揮部，重慶 401120)

超大斷面隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖步序優(yōu)化

鄒 翀1，金星亮2，高笑娟2，胡曦波3，梁 斌2

(1.中鐵隧道集團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,河南 洛陽 471009；2.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 洛陽 471023；3.中鐵重慶地鐵建設(shè)指揮部，重慶 401120)

重慶市軌道交通5號(hào)線1期3標(biāo)段為富水淺埋扁平超大斷面隧道工程，采用9步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法中的對(duì)稱開挖步序施工。應(yīng)用MIDAS-GTS軟件建立隧道三維有限元模型，計(jì)算了3種不同開挖步序條件下地表沉降、圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：扁平超大斷面隧道拱頂區(qū)域受力作用面較大，拱頂區(qū)域圍巖及噴混支護(hù)應(yīng)力較大，拱頂穩(wěn)定性較低，拱腳應(yīng)力集中。施工階段隧道結(jié)構(gòu)對(duì)橫向變形較為敏感，3種開挖步序拱腳水平收斂值曲線隨施工步序呈現(xiàn)多臺(tái)階變化；中隔墻核心土拆除時(shí)，水平收斂值及拱頂沉降值曲線出現(xiàn)突變，該階段應(yīng)增大監(jiān)測(cè)頻率。對(duì)3種施工步序進(jìn)行了數(shù)值模擬，提出了本工程地質(zhì)條件下大跨扁平隧道施工的合理步序。

淺埋扁平超大斷面隧道；圍巖應(yīng)力；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法；開挖步序優(yōu)化

0 引言

在圍巖穩(wěn)定性較差的工程地質(zhì)條件下進(jìn)行淺埋超大斷面隧道的施工，易發(fā)生工程事故，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法因其能夠有效控制地表下沉，保持掌子面的穩(wěn)定性而得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。但是，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，斷面分區(qū)較多、施工步序多并且斷面不能及時(shí)封閉成環(huán)[5-7]，因而，在保證工程安全和質(zhì)量的前提下，調(diào)整施工步序，對(duì)加快施工效率具有重要意義[8]。

目前，關(guān)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法關(guān)鍵施工技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用理論與數(shù)值分析相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[9]通過優(yōu)化開挖步序以及增加橫通道的設(shè)置，加快了依托工程施工進(jìn)度。文獻(xiàn)[10]采用數(shù)值模擬，分析了兩種不同開挖步序?qū)λ淼绹鷰r穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，對(duì)施工步序進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[11]采用數(shù)值模擬，對(duì)調(diào)整后施工步序的安全性進(jìn)行了分析。

本文以重慶軌道交通5號(hào)線1期3標(biāo)段隧道工程為依托，采用數(shù)值分析軟件對(duì)隧道施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，計(jì)算并分析了隧道施工階段地表沉降、圍巖豎向位移、隧道橫向變形、圍巖及噴混支護(hù)應(yīng)力分布等力學(xué)特性規(guī)律。對(duì)原設(shè)計(jì)施工步序進(jìn)行了調(diào)整，建立了包括原設(shè)計(jì)施工步序在內(nèi)的3種施工步序三維模型，對(duì)隧道施工階段圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并將數(shù)值分析數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，得到優(yōu)化改進(jìn)的施工步序方案。

1 工程概況與步序調(diào)整方案

1.1 工程概況

重慶市軌道交通5號(hào)線1期3標(biāo)段人和站～幸福廣場(chǎng)站區(qū)間隧道為單拱四線地鐵隧道，隧道開挖空間最大高度17.2 m，跨度27.6 m，總開挖面積388.47 m2，扁平率約0.62，隧道洞頂巖層厚度為16.2～20.7 m。場(chǎng)地內(nèi)地下水主要為上層滯水和基巖風(fēng)化裂隙水，地表水徑流條件較好，地下水補(bǔ)給范圍小，地下水分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。擬建場(chǎng)地出露地層主要由砂質(zhì)泥巖組成，質(zhì)量等級(jí)為IV級(jí)。根據(jù)重慶市軌道交通5號(hào)線幸福廣場(chǎng)站及區(qū)間大跨隧道斷面的設(shè)計(jì)，大跨區(qū)間隧道采用9步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。

1.2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖步序調(diào)整方案

(Ⅰ)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法設(shè)計(jì)施工步序

采用9步雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，圖1為依托隧道工程的設(shè)計(jì)施工步序圖，其中：①～⑨為橫向施工步序。如圖1所示，設(shè)計(jì)施工步序?yàn)椋哼M(jìn)行超前支護(hù)，開挖左①土體，施作初期支護(hù)和臨時(shí)支撐；開挖右②土體，施作初期支護(hù)和臨時(shí)支撐；待兩側(cè)導(dǎo)坑貫通后拆除臨時(shí)支撐，開挖上部核心土⑦，施作初期支護(hù)；依次進(jìn)行⑧和⑨土體的開挖及支護(hù)；隧道開挖完成施作仰拱和兩側(cè)直墻；最后施作二次襯砌。該施工步序可稱為對(duì)稱開挖步序。斷面開挖步序平面圖見圖2，圖2中：1～11為縱向施工步序。

圖1 設(shè)計(jì)施工步序圖 圖2 斷面開挖步序平面圖

(Ⅱ)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法步序調(diào)整方案

為了探討施工最佳方案，在原設(shè)計(jì)施工步序(即對(duì)稱開挖步序)的基礎(chǔ)上，另外模擬了兩種施工步序。

模擬工況1：該步序?yàn)橄乳_挖左側(cè)導(dǎo)坑，待①、③、⑤導(dǎo)坑土體貫通后，再開挖右側(cè)導(dǎo)坑；雙側(cè)導(dǎo)坑土體開挖完成貫通后開始拆除⑦、⑧、⑨核心土，其他施工步序不變。由于先開挖一側(cè)導(dǎo)坑土體，故稱為單側(cè)開挖步序。

模擬工況2：按照原設(shè)計(jì)進(jìn)行①、②、③土體的開挖，④、⑦、⑧土體同時(shí)開挖；最后同時(shí)開挖⑤、⑥、⑨土體，其他施工步序不變。由于中間核心土開挖成“L”形，故稱為“L”形開挖步序。

2 計(jì)算模型

采用MIDAS-GTS有限元分析軟件在工作平面中建立整體坐標(biāo)系，X軸方向?yàn)樗淼罊M向，Y軸方向?yàn)樗淼揽v深方向，Z軸方向?yàn)樨Q向，建立隧道三維數(shù)值模型。采用不同的單元模擬隧道開挖建設(shè)中不同的組件，結(jié)合工程賦予不同單元材料屬性。隧道圍巖本構(gòu)模型采用莫爾-庫(kù)倫模型；錨桿、鋼拱架和混凝土采用線彈性模型。圍巖采用三維實(shí)體單元模擬，錨桿采用受軸向拉壓力的植入式桁架單元；噴射混凝土采用平面應(yīng)變2D面單元；鋼拱架采用工字型截面梁?jiǎn)卧?。初期支護(hù)的模擬考慮了錨桿、鋼拱架和噴射混凝土的共同作用[12]。隧道修建區(qū)域地下水豐富，為保證分析符合工程實(shí)際，在模型的左右兩側(cè)加上20 m的壓力水頭[13]，采用施工階段助手對(duì)隧道開挖過程進(jìn)行仿真模擬[12]。噴射混凝土采用 30 cm 厚C25混凝土；二次襯砌采用100 cm厚C40鋼筋混凝土。隧道圍巖及結(jié)構(gòu)材料基本力學(xué)參數(shù)見表1。

根據(jù)無限邊界和有限元分析理論，結(jié)合實(shí)際工程，計(jì)算模型兩側(cè)圍巖選用2倍洞徑寬度，底部圍巖取2倍洞徑作為有限元分析范圍，隧道深度為50 m，模型的左右邊界為水平方向約束，頂部為自由邊界，底部邊界豎向和水平方向約束。

表1 隧道圍巖及結(jié)構(gòu)材料基本力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 不同開挖步序的沉降值和收斂值隨開挖步序變化規(guī)律

為便于分析重慶市軌道交通5號(hào)線1期3標(biāo)段大跨扁平淺埋隧道斷面地表沉降、拱頂沉降和水平向的收斂變化規(guī)律，選取對(duì)應(yīng)地表關(guān)鍵點(diǎn)、拱頂關(guān)鍵點(diǎn)和拱腰關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。3種開挖步序法的地表沉降值隨開挖步序的變化見圖3。圖3中：施工步序?yàn)樗淼篱_挖過程步序，曲線突變分別對(duì)應(yīng)隔墻⑦、⑧、⑨核心土開挖步序。

圖3 地表沉降值隨開挖步序的變化

從圖3可以看出：3種開挖步序地表沉降值曲線在開挖預(yù)留核心土?xí)r出現(xiàn)突變，這是由于預(yù)留核心土開挖后，失去了對(duì)隧道頂部的支撐作用。其中，“L”形開挖步序地表沉降為 5.47 mm；單側(cè)開挖步序和對(duì)稱開挖步序變化幅度基本一致，單側(cè)開挖步序最終地表沉降4.33 mm；對(duì)稱開挖步序最終地表沉降 4.32 mm，兩種步序沒有明顯區(qū)別。單側(cè)開挖步序施工過程中地表隆起現(xiàn)象較小，可忽略。整體來看，3種開挖步序的地表沉降都不大，遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值 (30 mm)[12]。

圖4為拱頂沉降值隨開挖步序的變化圖。由圖4可知：3種開挖步序的拱頂沉降值隨開挖步序變化規(guī)律一致，單側(cè)開挖步序拱頂沉降為8.75 mm；對(duì)稱開挖步序拱頂沉降為8.64 mm；“L”形開挖步序拱頂沉降為7.48 mm，較前兩種步序小。

圖5反映了3種開挖步序的拱腳水平收斂值隨施工步序的變化。單側(cè)開挖步序和對(duì)稱開挖步序拱腳水平收斂值呈四臺(tái)階變化，第一個(gè)上升臺(tái)階出現(xiàn)在一側(cè)導(dǎo)洞貫通后；第二臺(tái)階出現(xiàn)在另一導(dǎo)洞貫通后；第三臺(tái)階出現(xiàn)在預(yù)留核心土上部開挖后；第四臺(tái)階出現(xiàn)在隧道貫通后。“L”形開挖步序由于其施工步序少，出現(xiàn)兩臺(tái)階變化，第一臺(tái)階出現(xiàn)在兩側(cè)導(dǎo)洞貫通后；第二臺(tái)階出現(xiàn)在核心土成“L”形開挖后，但拱腳水平收斂值得到了有效控制。

圖4 拱頂沉降值隨開挖步序的變化圖5 拱腳水平收斂值隨開挖步序的變化

整體來看，“L”形開挖步序的拱頂沉降、底部隆起及水平收斂值均得到了有效控制；“L”形開挖步序的施工步序較少，在保證質(zhì)量和安全的前提下，能夠有效地縮短施工周期，減少施工成本。

3.2 不同開挖步序的圍巖應(yīng)力隨開挖步序變化規(guī)律

圍巖應(yīng)力云圖與位移云場(chǎng)分布規(guī)律類似，不再給出圍巖應(yīng)力云圖。圍巖應(yīng)力云圖結(jié)果表明：3種開挖步序隧道貫通后，圍巖應(yīng)力場(chǎng)基本都呈對(duì)稱分布。單側(cè)開挖過程中，應(yīng)力場(chǎng)會(huì)有不對(duì)稱分布情況，貫通后基本呈對(duì)稱分布；兩側(cè)對(duì)稱開挖施工過程中圍巖應(yīng)力場(chǎng)基本都呈對(duì)稱分布；“L”形開挖過程中出現(xiàn)圍巖應(yīng)力場(chǎng)不對(duì)稱分布，這是由于開挖過程的不對(duì)稱造成的。3種工況開挖完成后，圍巖應(yīng)力場(chǎng)呈對(duì)稱分布。

圖6為拱頂圍巖有效應(yīng)力隨開挖步序變化曲線圖。從圖6可看出：對(duì)稱開挖步序施工過程中，圍巖有效應(yīng)力穩(wěn)定發(fā)展，而單側(cè)開挖和“L”形開挖步序拱頂圍巖有效應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)突變情況。單側(cè)開挖及“L”形開挖步序突變位置為掌子面處，由于預(yù)留核心土的開挖，掌子面拱頂圍巖應(yīng)力得到了釋放。整體來看，單側(cè)開挖步序及“L”形開挖步序拱頂圍巖有效應(yīng)力比對(duì)稱開挖步序法小，兩者拱頂圍巖最終有效應(yīng)力穩(wěn)定值均較小。

圖7為拱腰圍巖有效應(yīng)力隨開挖步序變化曲線圖。從圖7可看出：拱腰圍巖有效應(yīng)力隨開挖步序出現(xiàn)兩次突變的過程。第一次突變是由于左右導(dǎo)坑的開挖，第二次突變是由于失去中隔墻支撐作用。3種開挖步序拱腰圍巖應(yīng)力變化規(guī)律基本一致，在失去中隔墻核心土支撐時(shí)，拱腰圍巖都承受較大應(yīng)力。其中，“L”形開挖步序最終拱腰圍巖應(yīng)力較另外兩種步序小，說明“L”形開挖步序在本工程中有一定的優(yōu)勢(shì)。

圖6 拱頂圍巖有效應(yīng)力隨開挖步序變化曲線圖圖7 拱腰圍巖有效應(yīng)力隨開挖步序變化曲線圖

3.3 支護(hù)受力分析

3種開挖步序關(guān)鍵點(diǎn)的噴混主應(yīng)力及錨桿軸力分別見表2和表3。

表2 關(guān)鍵點(diǎn)的噴混主應(yīng)力 MPa

表3 關(guān)鍵點(diǎn)的錨桿軸力 kN

由表2和表3可知：?jiǎn)蝹?cè)開挖步序噴混最大和最小主應(yīng)力位置均位于拱腳，分別為壓應(yīng)力4.66 MPa、15.20 MPa;最大錨桿軸力位于拱腳,為61.90 kN。對(duì)稱開挖步序噴混最大壓應(yīng)力位于拱頂,為2.74 MPa；最大拉應(yīng)力位于拱腰,為1.04 MPa；最小主應(yīng)力位于拱腳，為14.60 MPa；最大錨桿軸力位于拱頂，為53.10 kN?！癓”形開挖步序噴混最大和最小主應(yīng)力位于拱腳，分別為拉應(yīng)力1.18 MPa、壓應(yīng)力12.20 MPa；最大錨桿軸力位于拱腳，為40.30 kN。3種開挖步序中，“L”形開挖步序在關(guān)鍵點(diǎn)的拱頂、拱腰及拱腳噴混最大絕對(duì)值壓應(yīng)力值最小。

由表3可知：?jiǎn)蝹?cè)開挖及對(duì)稱開挖步序錨桿軸力在拱頂及拱腳位置處均較大，這是由于扁平隧道上部作用力面積較大，承受較大力的作用。在實(shí)際施工中，由于拱頂位置的特殊性，其錨桿的錨固效果比其他部位差，“L”形開挖步序能夠很好地解決該問題，其拱頂錨桿軸力較小，最大錨桿軸力位于拱腳。

3.4 結(jié)果對(duì)比分析

表4為圍巖關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力位移情況，表5為支護(hù)內(nèi)力最大值對(duì)比情況。由表4和表5可看出：“L”形開挖步序在控制圍巖豎向位移、噴混主應(yīng)力、拱腳水平收斂及錨桿軸力方面，相較單側(cè)開挖步序及對(duì)稱開挖步序具有一定優(yōu)勢(shì)。

表4 圍巖關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力位移

表5 支護(hù)內(nèi)力最大值對(duì)比

從開挖步序復(fù)雜程度來看：?jiǎn)蝹?cè)開挖步序9個(gè)導(dǎo)坑分66步開挖支護(hù)。對(duì)稱開挖步序分52步施工，相較單側(cè)開挖步序減少，且在圍巖豎向位移及收斂方面比單側(cè)開挖步序小，對(duì)稱開挖步序優(yōu)于單側(cè)開挖步序?！癓”形開挖步序分46步序開挖，相比單側(cè)開挖步序施工步序少，能夠提高施工效率。單側(cè)開挖及對(duì)稱開挖步序在控制指標(biāo)變形速率方面有優(yōu)勢(shì)，這是由于“L”形開挖步序施工步序少；在拱頂下沉、地表沉降、拱腳水平收斂、噴混主應(yīng)力以及支護(hù)受力最終穩(wěn)定值方面，“L”形開挖步序具有優(yōu)勢(shì)。

4 數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

4.1 監(jiān)測(cè)洞內(nèi)外埋點(diǎn)布置概況

大跨淺埋扁平段隧道總長(zhǎng)52 m，水平凈空收斂和拱頂下沉測(cè)點(diǎn)設(shè)置3個(gè)測(cè)試斷面，地表沉降測(cè)點(diǎn)每隔10 m設(shè)1個(gè)斷面，每斷面設(shè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)，每測(cè)點(diǎn)間隔8 m。洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)部分布置圖及地表沉降點(diǎn)布置圖分別見圖8和圖9。根據(jù)TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]要求及設(shè)計(jì)文件規(guī)定，水平收斂不應(yīng)大于30 mm，警戒值為20 mm；拱頂下沉不應(yīng)大于50 mm，警戒值為30 mm。

圖8 洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)部分布置圖圖9 地表沉降測(cè)點(diǎn)布置圖

4.2 數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

3種開挖步序?qū)Ρ确治鲋?，?duì)稱開挖步序?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)計(jì)開挖方案，這里將現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)稱開挖的有限元數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。拱腳水平收斂值對(duì)比曲線和地表沉降值對(duì)比曲線分別見圖10和圖11。

圖10 拱腳水平收斂值對(duì)比曲線圖11 地表沉降值對(duì)比曲線

由圖10和圖11可知：拱腳水平收斂值與實(shí)測(cè)值較為吻合，地表沉降實(shí)測(cè)值比模擬值大，數(shù)據(jù)波動(dòng)且有回彈。原因可能是：(Ⅰ)隧道地表線路原始地貌屬構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū)，經(jīng)人工后期改造為城市主干道，且地層有人工填土，在雨水的作用下實(shí)際地表沉降值比數(shù)值計(jì)算值大；(Ⅱ)現(xiàn)場(chǎng)施工條件復(fù)雜、爆破等開挖對(duì)周圍圍巖有一定擾動(dòng)；(Ⅲ)重慶地區(qū)雨水較多，地下水豐富，地下水對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性有一定影響；(Ⅳ)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分步多，施工步序繁雜，斷面不能及時(shí)進(jìn)行支護(hù)封閉成環(huán)。

整體看實(shí)測(cè)值與模擬值變化曲線趨勢(shì)規(guī)律一致，數(shù)量級(jí)相當(dāng)，數(shù)值模型模擬結(jié)果合理，由數(shù)值模擬分析可知：改進(jìn)后的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法“L”形步序調(diào)整方案可用。本優(yōu)化方案在重慶軌道交通5號(hào)線1期3標(biāo)段人和站～幸福廣場(chǎng)站區(qū)間隧道后續(xù)施工中得到初步應(yīng)用，取得了理想效果。

5 結(jié)論

(1)采用MIDAS-GTS軟件對(duì)調(diào)整后和原設(shè)計(jì)開挖步序施工方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，將模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律基本一致，數(shù)量級(jí)相當(dāng)，數(shù)值模擬方案合理，可為類似工程提供參考。

(2)隧道開挖過程中，當(dāng)拆除中隔墻核心土?xí)r，拱頂下沉、地表沉降及拱腳水平收斂控制指標(biāo)均會(huì)出現(xiàn)突變現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)施工中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，密切關(guān)注控制指標(biāo)變化情況，保證施工安全。

(3)從拱頂下沉、地表沉降、拱腳水平收斂、噴混主應(yīng)力以及支護(hù)受力等方面，對(duì)3種開挖步序進(jìn)行對(duì)比分析，綜合考慮，在保證質(zhì)量和安全的前提下，“L”形步序調(diào)整開挖方法施工步序較少，能夠有效地縮短施工周期，減少施工成本，“L”形開挖步序調(diào)整方案為最優(yōu)。

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國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11402077)；河南省科技廳產(chǎn)學(xué)研合作基金項(xiàng)目(2015HNCXY011)

鄒翀(1971-),男,江西南昌人,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)樗淼琅c地下工程.

2016-09-13

1672-6871(2017)04-0066-06

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.04.014

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