雙側(cè)壁導坑法隧道不同工序施工地表沉降規(guī)律研究

王慨慷

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

隨著城市軌道交通建設加速推進，各種復雜環(huán)境條件逐漸增加，軌道交通工程施工受制約的情況也隨之增多。為更好地應對各種客觀因素，對軌道交通施工新工法、新工藝、新設備、新工序的研究從未間斷。本文在結(jié)合理論計算及現(xiàn)場施工實測數(shù)據(jù)的基礎上，對北京地鐵6號線西延工程正常工序雙側(cè)壁導坑[1]斷面施工引起地表變形進行分析，同時對12號線先上層導洞后下層導洞非常規(guī)雙側(cè)壁導坑法工序施工引起地表沉降變形進行分析，并對兩種工序引起地表變形的變形值及變形規(guī)律進行對比研究，深層次挖掘雙側(cè)壁導坑法施工隧道的變形規(guī)律[2-3]，并為變形控制提供建議。

2 工程概況

(1)6號線西延雙側(cè)壁導坑法隧道

本次選取6號線西延工程線路中段一雙側(cè)壁導坑法隧道作為分析對象，該區(qū)間大斷面為區(qū)間渡線段，采用雙側(cè)壁導坑法施工。隧道結(jié)構(gòu)埋深約18 m，主要位于卵石層。隧道斷面最大開挖寬度為13.2 m，開挖高度為10.2 m。

(2)12號線雙側(cè)壁導坑法隧道

選取12號線線路中西部一雙側(cè)壁導坑法隧道為分析對象，該區(qū)間大斷面為區(qū)間停車線及渡線。隧道埋深約24 m，主要位于卵石層，隧道最大開挖寬度為12.3 m，開挖高度為10.1 m。

(3)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

6號線西延工程選取工點場地地質(zhì)情況主要為卵石⑤層，結(jié)構(gòu)底板位于地下水位以上，無需采用降水施工。

12號線選取工點場地地質(zhì)情況為卵石⑦層，隧道結(jié)構(gòu)埋深較大，底板位于地下水位以下，受地下水條件制約，下層導洞需采取降水施工。

(4)隧道參數(shù)

各導洞主要參數(shù)見表1。

表1 各導洞主要參數(shù) m

所選取的兩個工點結(jié)構(gòu)斷面尺寸相近，各導洞大小尺寸相似，隧道埋深略有差異，整體施工工序有所不同，隧道各導洞編號如圖1所示。

圖1 雙側(cè)壁導坑法隧道斷面及各導洞編號

6號線西延選取工點雙側(cè)壁導坑法斷面施工工序為①→②→③→④→⑤→⑥，為正常雙側(cè)壁導坑法隧道施工工序[4]；12號線選取工點雙側(cè)壁導坑斷面施工工序為①→③→⑤→②→④→⑥，為先上層導洞后下層導洞施工工序。兩個工點拆撐及二襯施工工序相同，均為由下向上先施作仰拱，后進行側(cè)墻及拱部混凝土施工。

3 不同工序雙側(cè)壁導坑隧道施工變形數(shù)值分析

根據(jù)6號線西延工程及12號線雙側(cè)壁導坑法隧道施工工序及特點，建立三維有限元模型[5]，見圖2。

針對兩種工序分別進行仿真數(shù)值模擬計算[6]，模型參數(shù)根據(jù)6號線西延工程地層參數(shù)選取。通過同一種地層及結(jié)構(gòu)參數(shù)，可計算分析不同工序帶來的地層變形影響。

圖2 雙側(cè)壁導坑法隧道模型

3.1 正常工序仿真模擬計算分析

針對正常雙側(cè)壁導坑法施工工序，選取各洞室上方部位典型考察點進行分析，6個導洞施工完成后其變形云圖見圖3。

圖3 正常工序法施工完成沉降變形云圖

考察點在各工序施工過程的累計變形值統(tǒng)計見表2，各測點分階段變形百分比統(tǒng)計見表3。

表2 各測點分階段變形值統(tǒng)計(正常工序) mm

表3 各測點分階段變形百分比統(tǒng)計(正常工序)

3.2 先上后下工序仿真模擬計算分析

針對先施工上層導洞然后施工下層導洞的雙側(cè)壁導坑法施工工序，選取各洞室上方部位典型測點進行分析，施工完成后其變形云圖如圖4所示。

圖4 先上后下工序法施工完成沉降變形云圖

考察點在各工序施工過程的累計變形值統(tǒng)計見表4，各測點分階段變形百分比見表5。

表4 各測點分階段變形值統(tǒng)計(非正常工序) mm

表5 各測點分階段變形百分比統(tǒng)計(非正常工序)

3.3 不同工序模型仿真模擬計算對比分析

通過對不同工序雙側(cè)壁導坑法隧道施工過程地表沉降理論變形分析可知:

(1)采用先上后下法施工時，其沉降量較傳統(tǒng)雙側(cè)壁導坑法隧道地表沉降量大，增加變形量約為25%。

(2)采用正常工序施工的雙側(cè)壁導坑法隧道地表變形規(guī)律呈現(xiàn)出兩側(cè)導洞施工時，地表沉降量較大、中間導洞施工時變形量較小的規(guī)律。下層導洞施工時，先行施工的導洞對地表變形影響較其他兩個導洞大，施工過程中，需針對各導洞施工過程對地表累計變形量的貢獻值區(qū)別對待，以更好地控制地表變形。

(3)采用先上后下工序施工的雙側(cè)壁導坑法隧道地表變形規(guī)律表現(xiàn)為上層導洞施工時，軸線上方地表考察點出現(xiàn)明顯沉降，而下層導洞施工時，對地表累計變形量貢獻較小的規(guī)律。采取該工法時，需對上層導洞施工加強重視。

4 實測地表沉降變形規(guī)律分析

針對上述工況，選取6號線西延及12號線兩處雙側(cè)壁導坑法隧道工程現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行分析。測點布設剖面見圖5。

圖5 雙側(cè)壁導坑法隧道測點布設剖面(單位：mm)

4.1 6號線西延線大斷面上方地表變形分析

選取6號線西延渡線大斷面各導洞軸線上方14個監(jiān)測點，測點最大沉降-30.92mm，平均變形-19.95mm。本工程雙側(cè)壁導坑斷面上方地表測點沉降大部分處于-10～-25mm之間，變形分布呈現(xiàn)出較明顯的正態(tài)分布規(guī)律。

選取大斷面上方-10～-25mm沉降區(qū)間內(nèi)典型主測斷面上三個測點繪制沉降時程曲線(DB-07-32位于大斷面③洞室上方，DB-07-16位于⑤洞室上方，GCY-02-09位于①洞室上方)，見圖6。

圖6 6號線西延大斷面上方測點沉降時程曲線

根據(jù)變形時程曲線，對三個測點進行分階段分析，其變形情況見表6～表7。

表6 各測點分階段變形值統(tǒng)計(6號線) mm

表7 各測點分階段變形百分比統(tǒng)計(6號線)

通過對上述三個部位監(jiān)測點沉降變形進行分析可知，在正常工序雙側(cè)壁導坑法隧道施工過程中，位于兩側(cè)導洞軸線上方測點在兩側(cè)導洞施工時，呈現(xiàn)出在正下方導洞及鄰近導洞施工時產(chǎn)生較大的沉降，而在遠離測點部位導洞施工時，沉降量相對偏小的趨勢。中間導洞軸線上方的測點在雙側(cè)壁導坑法隧道施工時，呈現(xiàn)出正下方導洞施工時產(chǎn)生較大沉降，而在兩側(cè)導洞施工時沉降量相對較小，但其所占比例相近的變形趨勢。

4.2 12號線大斷面上方地表變形分析

選取12號線雙側(cè)壁導坑法隧道大斷面各導洞軸線上方14個監(jiān)測點，測點最大沉降-29.48mm，平均變形-24.18mm。12號線雙側(cè)壁導坑斷面上方測點大部分位于-20～-30mm之間，其中位于-25～-30mm之間變形值較為集中。

選取大斷面上方三個測點繪制沉降時程曲線(SSG-31-01位于大斷面③洞室上方，DB-12-04位于⑤洞室上方，DLG-32-01位于①洞室上方)，見圖7。通過對比統(tǒng)計，總結(jié)出施工期間各洞室分步工序沉降比例統(tǒng)計數(shù)據(jù)，見表8～表9。

圖7 12號線大斷面上方測點沉降時程曲線

表8 各測點分階段變形值統(tǒng)計(12號線) mm

表9 各測點分階段變形百分比統(tǒng)計(12號線)

通過對上述三個部位監(jiān)測點沉降變形進行分析可知，在先上后下工序雙側(cè)壁導坑法隧道施工過程中，上層導洞施工時，地表沉降量占總沉降量比重偏大，其中軸線正上方測點在該測點正下方導洞施工時，占比為31% ～33%，兩側(cè)導洞施工時，占比略有減小。

4.3 不同工序?qū)崪y數(shù)據(jù)對比分析

由于12號線施工的雙側(cè)壁導坑法隧道埋深較大，根據(jù)隧道施工影響地表的變形規(guī)律，當斷面相同，工法、工序相同時，埋深大的隧道其施工完成后對地表的影響要小于埋深淺的隧道。但本次對比中發(fā)現(xiàn)，采用先上后下法施工的雙側(cè)壁導坑法隧道其施工階段對地表變形量的貢獻值比6號線西延選取的傳統(tǒng)工法雙側(cè)壁導坑法隧道變形值偏大。

在各導洞施工對總沉降的占比上，先上后下法施工隧道呈現(xiàn)出上層導洞施工期間對總沉降貢獻占比較正常工序上層導洞較大的情況。

5 結(jié)論

通過對雙側(cè)壁導坑法隧道正常施工工序及先上后下法施工工序施工過程地表沉降規(guī)律的理論計算分析及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論:

(1)采取傳統(tǒng)工序雙側(cè)壁導坑法施工時，導洞施工對該導洞軸線正上方測點影響較大，對周邊測點隨距離增加逐漸減小。上層導洞施工對總沉降量的影響比例為79%～80%，軸線正上方導洞施工時，貢獻百分比為30% ～33%，下層導洞施工對總沉降量影響的比例為19%～21%。

(2)采取先上后下法隧道施工時，上層導洞施工對地表影響較大，占總沉降量的84% ～87%。軸線正上方導洞施工時，貢獻百分比為31% ～34%，上層導洞施工完成后，由于形成上層棚護作用，在下層導洞施工時，對地表造成的沉降量較傳統(tǒng)工序造成的影響無論從絕對值還是從對總沉降量的占比分析均偏小，對總沉降量貢獻百分比為13% ～16%。

(3)在地層情況相近時，采取傳統(tǒng)工序雙側(cè)壁導坑法施工，其變形量比先上后下法隧道施工造成的地表沉降量偏小。采用先上后下法施工時，其總沉降量較傳統(tǒng)工法增加達25%。在對控制沉降要求較嚴時，優(yōu)先推薦傳統(tǒng)工序雙側(cè)壁導坑法。