大跨度淺埋暗挖隧道安全評估及施工力學(xué)分析

李 鵬

(湖北省城建設(shè)計(jì)院股份有限公司軌道交通設(shè)計(jì)院 武漢 430051)

作為城市交通的重要組成部份，城市軌道交通正在我國各城市蓬勃、快速地發(fā)展。一般而言，在軟土地區(qū)建設(shè)地鐵區(qū)間隧道多采用盾構(gòu)法，但在地鐵渡線范圍，區(qū)間隧道斷面形式多樣，開挖跨度大，周邊環(huán)境復(fù)雜，采用礦山法施工較為適宜。對于具有埋深淺、覆跨比及高跨比小、開挖斷面大等特點(diǎn)且周邊建(構(gòu))筑物與地下管線密集的渡線段區(qū)間隧道，控制其暗挖施工安全對周邊環(huán)境的影響意義重大。

為確保地鐵施工及周邊建(構(gòu))筑物、道路及地下管線安全，本文以武漢市地鐵5號線武漢火車站站后折返線區(qū)間隧道為例，采用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力及施工力學(xué)分析，以期為設(shè)計(jì)施工提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

武漢火車站為地鐵5號線終點(diǎn)站，站后設(shè)置停車線區(qū)間，區(qū)間線間距5 m，標(biāo)準(zhǔn)段限界凈寬10.7 m(轉(zhuǎn)轍機(jī)處12 m)；無地面出風(fēng)井的條件，區(qū)間排風(fēng)由武漢火車站統(tǒng)籌考慮。為避免明挖施工占用高鐵武漢火車站東廣場(停車場)交通疏解場地，部分交叉渡線及停車線(長度263.20 m)擬采用暗挖法施工，隧道位置及結(jié)構(gòu)平面見圖1、圖2。

圖1 區(qū)間隧道位置

圖2 區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)平面布置圖

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

2.1 工程地質(zhì)

工程場區(qū)為武漢剝蝕堆積垅崗區(qū)(相當(dāng)于長江III級階地)，區(qū)間隧道穿越地層主要為15a-2中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、15a-a粗砂巖、20c-2中風(fēng)化泥巖，隧道上部主要為1-1雜填土、1-2素填土、10-1粉質(zhì)黏土、15a-1強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)粉泥巖、20a-1強(qiáng)風(fēng)化泥巖。隧道最大縱坡0.2%，覆土厚度14.8～17.8 m，隧道拱頂為VI級圍巖，拱底為V級圍巖，穿越地層為V/VI圍巖。巖土物理力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)建議值見表1。

2.2 水文地質(zhì)

場區(qū)無地表水，地下水分為上層滯水、基巖裂隙水和孔隙潛水，對混凝土及混凝土中鋼筋具微腐蝕性，水文地質(zhì)參數(shù)設(shè)計(jì)建議值見表1。

表1 土層結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)材料參數(shù)

3 施工工法選擇及襯砌參數(shù)擬定

區(qū)間隧道覆土淺，穿越地層圍巖級別V/VI級，且位于市政道路下方、緊臨18層民房、楊春湖售票大廳及高鐵武漢站匝道樁基，故選擇安全、合理的施工工法及襯砌參數(shù)很關(guān)鍵。軟弱圍巖大跨隧道的開挖方法主要有臺階(分部)法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、交叉中隔壁(CRD)法、中壁工法(CD法)等[1]，相關(guān)研究及工程實(shí)踐表明[2-5]，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能更好地發(fā)揮圍巖自身承載能力和初期襯砌支護(hù)作用，圍巖應(yīng)力、位移控制效果好；CRD法對隧道邊墻水平位移控制較好，但對頂部圍巖沉降控制不如雙側(cè)壁導(dǎo)坑法有效；其他2種方法沉降控制效果較差。

經(jīng)初步分析，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法更適合本區(qū)間隧道施工。根據(jù)工程水文地質(zhì)、埋深及洞室跨徑情況，基于工程類比法[6-8]，隧道開挖斷面示意見圖3，支護(hù)參數(shù)及輔助措施見表2。

圖3 隧道開挖斷面示意

表2 隧道支護(hù)參數(shù)及輔助措施

4 隧道結(jié)構(gòu)安全性評估

4.1 分析模型

隧道最大開挖斷面(轉(zhuǎn)轍機(jī)處)寬13.9 m、高10.9 m，擬采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。施工中臨時(shí)支撐拆除后對隧道結(jié)構(gòu)安全性與圍巖穩(wěn)定性具有很大的影響，很有必要進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)安全性評估。采用荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，臨時(shí)支撐中的錨噴層采用beam3單元模擬，地層對支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束采用非線性彈簧單元combin39模擬，初支采用二維梁單元模擬。

4.2 計(jì)算條件

計(jì)算中結(jié)構(gòu)均按素混凝土考慮，根據(jù)計(jì)算內(nèi)力進(jìn)行配筋計(jì)算，并根據(jù)實(shí)際配筋面積的計(jì)算結(jié)果，分析評價(jià)結(jié)構(gòu)安全性能，計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

圍巖壓力荷載依據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》及《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，按淺埋隧道計(jì)算。結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計(jì)算按鋼筋混凝土矩形截面的大、小偏心受壓構(gòu)件計(jì)算?？紤]初期支護(hù)承受全部的土壓荷載，實(shí)際配筋采用格柵鋼架。

4.3 計(jì)算結(jié)果

4.3.1拆除臨時(shí)支撐前

臨時(shí)內(nèi)支撐拆除前，初期支護(hù)受力、安全系數(shù)分別見圖4、表4。

圖4 臨時(shí)內(nèi)撐拆除前初期支護(hù)彎矩圖及軸力圖

表4 拆除臨時(shí)支撐前隧道斷面安全系數(shù)

4.3.2拆除臨時(shí)支撐后

臨時(shí)內(nèi)支撐拆除后，初期支護(hù)受力、安全系數(shù)分別見圖5、表5。

圖5 臨時(shí)內(nèi)撐拆除后初期支護(hù)彎矩及軸力圖

表5 拆除臨時(shí)支撐后隧道斷面安全系數(shù)

以上計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)配筋量按實(shí)際的格柵鋼架配筋時(shí)，結(jié)構(gòu)的各部位均能滿足安全性要求。拆除臨時(shí)支撐后，結(jié)構(gòu)還是完全能夠滿足安全性要求，最不利位置仍在拱頂，施工中應(yīng)加以注意。

5 開挖施工力學(xué)分析

針對區(qū)間大斷面隧道(開挖面積達(dá)122 m2)，采用地層-結(jié)構(gòu)模型數(shù)值模擬雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖中圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，驗(yàn)算襯砌強(qiáng)度，研究地表橫向沉降曲線，以確保隧道施工中的安全性。計(jì)算采用的地層、結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1、表2。

5.1 施工過程模擬

模擬雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施作全過程，采取實(shí)體單元模擬初期支護(hù)及臨時(shí)中隔壁，cable單元模擬錨桿。隧道計(jì)算埋深15 m，在隧道縱向(Y軸)取30 m，隧道橫向(X軸)取100 m，豎直方向(Z軸)取70 m，計(jì)算范圍滿足土體開挖影響(3～5)D。開挖軸線方向以0.6 m為1個(gè)網(wǎng)格，模擬施工中的開挖步距。三維模型網(wǎng)格圖、襯砌及錨桿單元見圖6、圖7。

圖6 計(jì)算模型圖

圖7 隧道襯砌及錨桿單元示意圖

模擬各個(gè)開挖掌子面推進(jìn)以0.6 m為1個(gè)進(jìn)尺，上、下臺階長度3 m，拆除中隔壁步距為9 m。

5.2 主要計(jì)算結(jié)果

雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法施工過程中錨桿軸力、襯砌應(yīng)力及土體變形動(dòng)態(tài)變化效果模擬見表6。

表6 開挖施工力學(xué)計(jì)算結(jié)果

續(xù)表6

5.3 計(jì)算結(jié)果分析

1) 分析數(shù)據(jù)顯示，左上臺階土體(1洞)開挖拱頂沉降值12.4 mm，初期支護(hù)最大拉應(yīng)力值達(dá)到0.31 MPa，錨桿軸力53.4 kN；左下臺階土體(2洞)開挖拱頂沉降值13.4 mm，初期支護(hù)最大拉應(yīng)力為0.86 MPa，錨桿軸力49.8 kN；右上臺階土體(3洞)開挖拱頂沉降14.0 mm，初期支護(hù)最大拉應(yīng)力為3.07 MPa出現(xiàn)在底部臨時(shí)橫撐上，錨桿軸力48.4 kN。右下臺階土體(4洞)開挖拱頂沉降14.6 mm，初期支護(hù)最大拉應(yīng)力3.09 MPa出現(xiàn)在底部臨時(shí)橫撐上，錨桿軸力12.6 kN。中部上、下導(dǎo)坑土體開挖(5、6洞)后拱頂沉降分別為14.9，15.2 mm，初期支護(hù)最大拉應(yīng)力達(dá)到3.23 MPa。錨桿軸力在開挖過程中先逐漸增大，而后有減小的趨勢，但隧道斷面上錨桿幾乎均發(fā)揮作用，表明錨桿在雙側(cè)壁工法施工中發(fā)揮了良好作用。初期支護(hù)拉應(yīng)力及變化幅度在容許范圍內(nèi)，顯示超前支護(hù)、初期支護(hù)發(fā)揮了及時(shí)支護(hù)作用，對襯砌應(yīng)力及拱頂沉降起到了很好的控制作用。

2) 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工中，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在臨時(shí)中隔壁同初期支護(hù)相交位置，在初期支護(hù)拱肩加厚部位出現(xiàn)最大主壓應(yīng)力，故對初期支護(hù)拱肩部位進(jìn)行局部加強(qiáng)處理是必要的。

3) 研究面地表橫向沉降曲線。選取最初的開挖面作為研究面(記為0開挖面)，隨著隧道開挖的向前推進(jìn)，0開挖面的所對應(yīng)的地表各點(diǎn)沉降值均隨之增長，但也會隨著隧道的掘進(jìn)沉降減緩增長并逐漸趨于穩(wěn)定。選取滯后于隧道開挖掌子面2倍洞徑的0開挖面的各地表沉降值作為研究對象繪制地表橫向沉降曲線，其結(jié)果見圖8(原點(diǎn)為與拱頂對應(yīng)的地表點(diǎn))。隧道的最大洞跨13.9 m，由圖8可以看出，隧道開挖影響的地表橫向范圍約為2.9倍洞跨。

圖8 地表橫向沉降曲線

4) 研究地表縱向沉降曲線。選取隧道開挖方向的某一橫斷面為基準(zhǔn)面(Y=15 m)，當(dāng)隧道未開挖到該面時(shí)，該面拱頂所對應(yīng)的地表點(diǎn)實(shí)際已產(chǎn)生了沉降，開挖掌子面對前方土體的影響范圍一般為1～1.5倍隧道跨度。隨著2號、3號等導(dǎo)洞開挖到該面，該面的地表點(diǎn)的沉降值迅速增大，隨后趨于穩(wěn)定，沉降值趨于穩(wěn)定的斷面大約滯后開挖掌子面2～2.5倍隧道跨度。選取Y=15 m的開挖面為基準(zhǔn)面，顯示各導(dǎo)洞到達(dá)該面時(shí)前后各15 m范圍內(nèi)地表各點(diǎn)的數(shù)值模擬計(jì)算沉降值及現(xiàn)場監(jiān)測沉降值見圖9。

圖9 地表縱向沉降槽曲線

6 結(jié)語

地鐵折返線大跨度淺埋暗挖隧道施工風(fēng)險(xiǎn)高，通過采用數(shù)值模擬方法對隧道結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行評估和開挖施工學(xué)分析，得到如下結(jié)論。

1) 整個(gè)隧道施工過程中地表最終沉降量為23.2 mm，開挖影響地表橫向范圍約為2.9倍洞跨。開挖掌子面對前方土體影響范圍一般為1～1.5倍隧道跨度，隨著各導(dǎo)洞開挖到該掌子面，該掌子面地表點(diǎn)的沉降值迅速增大，而后逐漸趨于穩(wěn)定，沉降值趨于穩(wěn)定的斷面滯后開挖掌子面2～2.5倍隧道跨度。

2) 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工中，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在臨時(shí)中隔壁同初期支護(hù)相交位置，在初期支護(hù)拱肩部位出現(xiàn)最大主壓應(yīng)力，對初期支護(hù)拱肩部位進(jìn)行局部加強(qiáng)處理是必要的。

3) 經(jīng)計(jì)算分析及現(xiàn)場實(shí)測，隧道開挖施工地表沉降量滿足要求，各個(gè)開挖步序中初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性也滿足要求，在武漢剝蝕堆積垅崗區(qū)(相當(dāng)于長江III級階地)進(jìn)行淺埋大跨度隧道暗挖施工時(shí)，為有效控制沉降變形、確保隧道結(jié)構(gòu)安全，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法施工是合理的也是必要的。