非對(duì)稱小凈距隧道下穿軍事用地最優(yōu)施工時(shí)序及工藝研究

曾衛(wèi)彪

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

引言

非對(duì)稱小凈距隧道是指并行雙洞斷面大小不同，而隧道間夾巖墻厚度較小的一種隧道結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)形式介于分離式隧道和連拱隧道之間，在某些條件下其工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理性有可取之處［1］。

1 工程概況

1.1 佛山西站配線段工程概況

1.1.1 周邊環(huán)境及外部條件

佛山西站位于南海區(qū)羅村，為地下兩層島式車站。南北兩端為佛山西配線段，其中南端配線段為3、4 號(hào)線單渡線及聯(lián)絡(luò)線，位于佛山西樞紐南側(cè)廣場(chǎng)及站前南路地下，為明挖區(qū)間，南接盾構(gòu)區(qū)間，長(zhǎng)度為130.68 m，寬度為59.38 m；北端配線段為3、4 號(hào)線停車折返線，其中3 號(hào)線位于佛山西樞紐北廣場(chǎng)及站前北路、軍區(qū)山體地下，為暗挖區(qū)間，北接盾構(gòu)區(qū)間；4 號(hào)線位于佛山西樞紐北廣場(chǎng)及站前北路、軍區(qū)山體西側(cè)地下，為明挖區(qū)間。3 號(hào)線北配線左線為單洞雙線隧道，左線起訖里程ZDK67+401.982—ZDK67+637.245，寬度為12.02 ～13.12 m；右線為單洞單線隧道，右線起訖里程YDK67+401.982—YDK67+681.045，寬度為6.68 m。佛山西站出站后穿越的主要建構(gòu)筑物為軍區(qū)范圍山體，山體上主要設(shè)施有通信架、防空洞和兩棟軍區(qū)房屋。

1.1.2 線路平面

線路自佛山西站出站后，左右線線間距為16.60 m，左右線均位于直線段，見(jiàn)圖1。

圖1 佛山西站配線段總平面

1.1.3 線路縱斷面

區(qū)間線路縱斷面為單坡度，出佛山西站以后，右線以0‰、5‰的坡度接明挖段，線路軌面埋深為20.90 ～33.30 m，隧道覆土15.85 ～28.18 m；左線以0‰、5.072‰的坡度接明挖段，線路軌面埋深為20.90～33.30 m。隧道覆土13.74 ～26.69 m。隧道洞身主要穿越＜7-2＞強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖和＜7-3＞強(qiáng)風(fēng)化中粗砂巖，隧道綜合圍巖分級(jí)為Ⅲ～Ⅳ。

1.2 與軍區(qū)建筑及設(shè)施相互關(guān)系

（1）區(qū)間隧道采用礦山法施工，需要下穿軍區(qū)范圍山體。（2）區(qū)間隧道需下穿軍事設(shè)施。經(jīng)過(guò)初步調(diào)查，該軍區(qū)山體范圍內(nèi)存在防空洞、通信架、部隊(duì)營(yíng)房等設(shè)施。隧道與防空洞水平凈距約26.2 m（推測(cè)）。（3）區(qū)間隧道需下穿軍事用地約0.58 hm2。

2 施工方法研究

2.1 施工工法選擇

地鐵隧道常用的施工方法有礦山法、盾構(gòu)法和明挖法三種。（1）若采用明挖法施工，則需對(duì)軍事區(qū)的山坡進(jìn)行刷坡開(kāi)挖，影響范圍較大，工程費(fèi)用較高，故不推薦。（2）若采用盾構(gòu)施工，盾構(gòu)管片外徑約為14 m，而本段隧道長(zhǎng)度僅為235 m，采用大直徑盾構(gòu)機(jī)施工不經(jīng)濟(jì)，且需要占用較大面積臨時(shí)用地，佛山西站北端缺少盾構(gòu)接收或始發(fā)條件；對(duì)于單洞單線隧道，由于3 號(hào)線與佛山西站建設(shè)時(shí)序不匹配，佛山西站北端不具備盾構(gòu)吊出或者始發(fā)條件，故不推薦采用盾構(gòu)法施工。（3）結(jié)合本段隧道穿越的地質(zhì)條件以及線路條件，適合采用礦山法施工，工法施工技術(shù)成熟，施工進(jìn)度快，可以較好地控制地層沉降。

2.2 施工時(shí)序選擇

2.2.1 小洞先行

（1）方案1：小洞采用臺(tái)階法施工，大洞采用CD 法（中隔壁法）施工［2］。其中大洞先開(kāi)挖靠近小洞側(cè)導(dǎo)洞，然后開(kāi)挖遠(yuǎn)離小洞側(cè)導(dǎo)洞，見(jiàn)圖2（a）。（2）方案2：小洞采用臺(tái)階法施工，大洞采用CD法施工。其中大洞先開(kāi)挖遠(yuǎn)離小洞側(cè)導(dǎo)洞，然后開(kāi)挖靠近小洞側(cè)導(dǎo)洞，見(jiàn)圖2（b）。

2.2.2 大洞先行

（1）方案3：大洞采用CD 法施工，先開(kāi)挖靠近小洞側(cè)導(dǎo)洞，然后開(kāi)挖遠(yuǎn)離小洞側(cè)導(dǎo)洞，最后臺(tái)階法施工小洞，見(jiàn)圖2（c）。（2）方案4：大洞采用CD 法施工，先開(kāi)挖遠(yuǎn)離小洞側(cè)導(dǎo)洞，然后開(kāi)挖靠近小洞側(cè)導(dǎo)洞，最后臺(tái)階法施工小洞，見(jiàn)圖2（d）。

圖2 施工時(shí)序方案

2.3 施工工藝選擇

（1）工藝1（CD 法）：小洞采用臺(tái)階法施工，大洞采用CD 法施工。（2）工藝2（CRD 法）［3］：小洞采用臺(tái)階法施工，大洞采用CRD 法（交叉中隔壁法）施工。見(jiàn)圖3。

圖3 施工工藝方案

3 施工過(guò)程模擬分析

3.1 確定計(jì)算模型參數(shù)

采用Midas/GTS 有限元軟件進(jìn)行建模分析。假定土層均質(zhì)水平分布，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。土體采用莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，初期支護(hù)、中隔壁及臨時(shí)仰拱均采用線彈性材料，不考慮管棚及地下水的影響。

表1 計(jì)算參數(shù)

3.2 模型建立與網(wǎng)格劃分

根據(jù)施工時(shí)序及施工工藝，采用平面應(yīng)變模型。為保證模型邊界不受隧道開(kāi)挖的影響，模型邊界到隧道開(kāi)挖邊線距離≮3 倍隧道開(kāi)挖寬度，模型沿X 方向取95 m，Y 方向由地面向下取62 m。采用Midas/GTS 進(jìn)行計(jì)算分析，土體及初期支護(hù)均采用實(shí)體單元模擬，各工況計(jì)算模型見(jiàn)圖4 ～圖6。

圖4 大洞CD 法施工模型（先開(kāi)挖靠近小洞側(cè)）

圖5 大洞CD 法施工模型（先開(kāi)挖遠(yuǎn)離小洞側(cè)）

圖6 大洞CRD 法施工模型（先開(kāi)挖靠近小洞側(cè)）

3.3 施工時(shí)序模擬分析

采用Midas/GTS NS 軟件對(duì)四種施工時(shí)序進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)新奧法的施工原理，二次襯砌作為強(qiáng)度儲(chǔ)備，計(jì)算未考慮二次襯砌的影響，土層、初期支護(hù)均采用實(shí)體單元模擬。為減小邊界效應(yīng)的影響，兩側(cè)及底部取至少3 倍隧道開(kāi)挖輪廓外土體，頂部取至地面。模型側(cè)面和地面為位移邊界，側(cè)面限制水平位移，底部限制垂直位移，見(jiàn)圖7。

圖7 地層變形

通過(guò)計(jì)算分析，四種開(kāi)挖時(shí)序方案在拆除中隔壁后，隧道引起拱頂及地面沉降最大值見(jiàn)表2。可以看出，不同的開(kāi)挖順序?qū)λ淼赖墓绊敵两怠⒌孛娉两涤休^大的區(qū)別。

表2 拱頂及地面沉降值/mm

3.4 施工工藝模擬分析

通過(guò)計(jì)算分析，兩種施工工藝在拆除中隔壁及臨時(shí)仰拱（若有）后，隧道引起拱頂及地面沉降最大值見(jiàn)表3。可以看出，不同施工工藝對(duì)隧道的拱頂沉降、地面沉降有較大的區(qū)別。

表3 拱頂及地面沉降值/mm

4 結(jié)語(yǔ)

（1）小凈距隧道先行洞施工與普通單洞相同，受力情況較為簡(jiǎn)單，但后行洞開(kāi)挖施工時(shí)，隧道周圍及中間巖體圍巖將產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力重分布。因此，先開(kāi)挖大洞還是小洞，以及大洞開(kāi)挖采用的施工工藝需慎重考慮［4］。（2）非對(duì)稱小凈距隧道需重視隧道施工時(shí)序，“小洞先行，大洞CD 法先開(kāi)挖靠近小洞側(cè)導(dǎo)洞”的開(kāi)挖順序?qū)鷰r穩(wěn)定及地面沉降產(chǎn)生的影響最小。（3）隧道施工工藝對(duì)地層的影響很大，交叉中隔壁法（CRD 法）能夠更好地控制隧道拱頂及地面沉降，但增加了施工節(jié)點(diǎn)和施工的復(fù)雜性，減慢了隧道閉合的速度，在工期受限的情況下不便采用。（4）不同的施工時(shí)序和工藝對(duì)圍巖穩(wěn)定及地面沉降產(chǎn)生的差異不同，雖然這種結(jié)果在數(shù)值分析上難以得到，但在工程實(shí)踐中大量存在。因此，在實(shí)際工程中，非對(duì)稱小凈距隧道施工進(jìn)行工法選擇及工程類比是非常關(guān)鍵的。