大跨度淺埋暗挖隧道安全評估及施工力學分析

李 鵬

(湖北省城建設(shè)計院股份有限公司軌道交通設(shè)計院 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)進行結(jié)構(gòu)受力及施工力學分析，以期為設(shè)計施工提供借鑒。

1 項目概況

武漢火車站為地鐵5號線終點站，站后設(shè)置停車線區(qū)間，區(qū)間線間距5 m，標準段限界凈寬10.7 m(轉(zhuǎn)轍機處12 m)；無地面出風井的條件，區(qū)間排風由武漢火車站統(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)(相當于長江III級階地)，區(qū)間隧道穿越地層主要為15a-2中風化砂質(zhì)泥巖、15a-a粗砂巖、20c-2中風化泥巖，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強風化砂質(zhì)粉泥巖、20a-1強風化泥巖。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。巖土物理力學參數(shù)設(shè)計建議值見表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)計建議值見表1。

表1 土層結(jié)構(gòu)及物理力學材料參數(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)研究及工程實踐表明[2-5]，雙側(cè)壁導坑法能更好地發(fā)揮圍巖自身承載能力和初期襯砌支護作用，圍巖應力、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)轍機處)寬13.9 m、高10.9 m，擬采用雙側(cè)壁導坑法施工。施工中臨時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，很有必要進行隧道結(jié)構(gòu)安全性評估。采用荷載-結(jié)構(gòu)模型進行數(shù)值模擬計算，臨時支撐中的錨噴層采用beam3單元模擬，地層對支護結(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 計算條件

計算中結(jié)構(gòu)均按素混凝土考慮，根據(jù)計算內(nèi)力進行配筋計算，并根據(jù)實際配筋面積的計算結(jié)果，分析評價結(jié)構(gòu)安全性能，計算參數(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)計規(guī)范》及《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》，按淺埋隧道計算。結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計算按鋼筋混凝土矩形截面的大、小偏心受壓構(gòu)件計算。考慮初期支護承受全部的土壓荷載，實際配筋采用格柵鋼架。

4.3 計算結(jié)果

4.3.1拆除臨時支撐前

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

圖4 臨時內(nèi)撐拆除前初期支護彎矩圖及軸力圖

表4 拆除臨時支撐前隧道斷面安全系數(shù)

4.3.2拆除臨時支撐后

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

圖5 臨時內(nèi)撐拆除后初期支護彎矩及軸力圖

表5 拆除臨時支撐后隧道斷面安全系數(shù)

以上計算結(jié)果顯示，當配筋量按實際的格柵鋼架配筋時，結(jié)構(gòu)的各部位均能滿足安全性要求。拆除臨時支撐后，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，施工中應加以注意。

5 開挖施工力學分析

針對區(qū)間大斷面隧道(開挖面積達122 m2)，采用地層-結(jié)構(gòu)模型數(shù)值模擬雙側(cè)壁導坑法開挖中圍巖及支護結(jié)構(gòu)的力學行為，驗算襯砌強度，研究地表橫向沉降曲線，以確保隧道施工中的安全性。計算采用的地層、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)壁導坑法施作全過程，采取實體單元模擬初期支護及臨時中隔壁，cable單元模擬錨桿。隧道計算埋深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 計算模型圖

圖7 隧道襯砌及錨桿單元示意圖

模擬各個開挖掌子面推進以0.6 m為1個進尺，上、下臺階長度3 m，拆除中隔壁步距為9 m。

5.2 主要計算結(jié)果

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

表6 開挖施工力學計算結(jié)果

續(xù)表6

5.3 計算結(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，初期支護最大拉應力值達到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，初期支護最大拉應力為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，初期支護最大拉應力為3.07 MPa出現(xiàn)在底部臨時橫撐上，錨桿軸力48.4 kN。右下臺階土體(4洞)開挖拱頂沉降14.6 mm，初期支護最大拉應力3.09 MPa出現(xiàn)在底部臨時橫撐上，錨桿軸力12.6 kN。中部上、下導坑土體開挖(5、6洞)后拱頂沉降分別為14.9，15.2 mm，初期支護最大拉應力達到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。初期支護拉應力及變化幅度在容許范圍內(nèi)，顯示超前支護、初期支護發(fā)揮了及時支護作用，對襯砌應力及拱頂沉降起到了很好的控制作用。

2) 雙側(cè)壁導坑法施工中，最大拉應力出現(xiàn)在臨時中隔壁同初期支護相交位置，在初期支護拱肩加厚部位出現(xiàn)最大主壓應力，故對初期支護拱肩部位進行局部加強處理是必要的。

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，0開挖面的所對應的地表各點沉降值均隨之增長，但也會隨著隧道的掘進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(原點為與拱頂對應的地表點)。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面(Y=15 m)，當隧道未開挖到該面時，該面拱頂所對應的地表點實際已產(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號等導洞開挖到該面，該面的地表點的沉降值迅速增大，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的開挖面為基準面，顯示各導洞到達該面時前后各15 m范圍內(nèi)地表各點的數(shù)值模擬計算沉降值及現(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險高，通過采用數(shù)值模擬方法對隧道結(jié)構(gòu)安全進行評估和開挖施工學分析，得到如下結(jié)論。

1) 整個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，隨著各導洞開挖到該掌子面，該掌子面地表點的沉降值迅速增大，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)壁導坑法施工中，最大拉應力出現(xiàn)在臨時中隔壁同初期支護相交位置，在初期支護拱肩部位出現(xiàn)最大主壓應力，對初期支護拱肩部位進行局部加強處理是必要的。

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