上軟下硬地層PBA法導(dǎo)洞開挖方案優(yōu)化研究

魏智強

（中鐵投資集團有限公司，北京 100000）

0 引言

隨著我國城市人口數(shù)量的快速增長，城市交通擁堵問題日益凸顯，城市早晚高峰密集的人員流動和私家車的出行為道路交通帶來極大的負(fù)擔(dān)，道路客運能力不足的問題越來越明顯。為了改善地面交通，緩解交通壓力，全國各大城市均開始大力發(fā)展地鐵。大多數(shù)地鐵站都建在城市的中心區(qū)域[1-3]。城市周邊環(huán)境復(fù)雜，對施工過程中的地表位移變形控制要求較高[4-12]。在保證施工進度的同時，應(yīng)減少對周邊環(huán)境的影響。樁-梁-拱（PBA）法作為一種新型的地下開挖施工方法，由于其施工位于地下，可有效減少對周圍地表和既有交通的影響，PBA 法在地鐵車站施工中得到廣泛應(yīng)用。許多學(xué)者對PBA 法的施工過程進行了研究，從眾多研究中可以看出，在PBA 法施工過程中，先導(dǎo)隧道施工過程容易產(chǎn)生群效應(yīng)，先導(dǎo)隧道開挖階段對地表的影響較大。為了探討導(dǎo)洞施工順序?qū)Φ乇沓两档挠绊懀谑┕み^程中選擇合理的開挖進尺，文章以大連地鐵勞動園站PBA 法施工為例，引入屈服接近度的概念，分析導(dǎo)洞在不同施工方案下屈服接近度的分布規(guī)律，并確定最有利的施工方案。以期為類似工程提供參考。

1 圍巖屈服接近度

屈服接近度（YAI，yield approach index）為：描述一點的現(xiàn)時狀態(tài)與相對最安全狀態(tài)的參量的比，YAI∈[0，1]。強度準(zhǔn)則為摩爾-庫倫準(zhǔn)則：

式（1）中：I1為第一主應(yīng)力不變量；J2為第二偏應(yīng)力不變量；φ為內(nèi)摩擦角；θσ為應(yīng)力羅德角；c 為黏聚力。

式（1）在π 平面上可表示為：

式（2）可整理為：

在圖1 所示的狀態(tài)下，由三角關(guān)系：

圖1 子午面上一點的應(yīng)力狀態(tài)

則屈服接近度定義為：

點C 坐標(biāo)滿足式（4），則：

將式（7）代入式（6）得：

式（8）即為摩爾-庫倫準(zhǔn)則下的屈服接近度表達式。

為了 便于表達，令F′(σπ,τπ,θσ)=1 -F(σπ,τπ,θσ)，在文中，屈服接近度接近0 意味著趨于穩(wěn)定，反之則趨于失穩(wěn)。

2 工程概況

勞動園站場地的地形比較平坦。站內(nèi)地面高程33.37～35.92m，地勢南高北低。站臺寬度為14m，車站頂板覆蓋土壤約18.7～24m。該站采用PBA 法施工，上排4 導(dǎo)洞，下排2 導(dǎo)洞，共6 導(dǎo)洞。導(dǎo)洞初始支護斷面結(jié)構(gòu)為直墻拱，導(dǎo)洞初始支護厚度為300mm。根據(jù)實際施工情況及車站采用的6 洞三跨PBA 法施工方案，導(dǎo)洞選取0.5m、1.0m、1.5m、2m 四種循環(huán)進尺方案進行三維數(shù)值模擬。在導(dǎo)洞施工階段，不同的導(dǎo)洞施工順序會對地表產(chǎn)生不同的擾動。

根據(jù)現(xiàn)有導(dǎo)洞的開挖進尺，導(dǎo)洞的施工方案有四種：

第一，A1—A2—B1—B2—C1—C2（F1）；

第二，B1—B2—A1—A2—C1—C2（F2）；

第三，C1—C2—A1—A2—B1—B2（F3）；

第四，C1—C2—B1—B2—A1—A2（F4）。

導(dǎo)洞位置，如圖2 所示。

圖2 導(dǎo)洞位置

3 導(dǎo)洞開挖方案模擬

3.1 模型建立及參數(shù)選擇

根據(jù)車站開挖規(guī)模，進行數(shù)值模型的構(gòu)建，建立高度為60m，寬度為140m，縱向長度為20m 的計算模型。計算模型，如圖3 所示。通過增大加固區(qū)圍巖參數(shù)實現(xiàn)超前注漿加固。巖土物理力學(xué)參數(shù)，如表1 所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

圖3 三維數(shù)值模型

3.2 導(dǎo)洞開挖進尺分析

為了描述導(dǎo)洞不同開挖進尺對圍巖的擾動，利用YAI 計算程序?qū)?dǎo)洞開挖過程進行計算，計算結(jié)果如圖4 所示。可以看出，當(dāng)選取0.5m、1m 和1.5m 作為開挖進尺時，導(dǎo)洞周圍巖體的最大YAI 分別為0.85、0.88 和0.89。當(dāng)開挖進尺為2m時，YAI最大值為0.95。YAI為1.0 的區(qū)域為塑性區(qū)域。在YAI 為0.95～1.0 的區(qū)域，巖體處于接近屈服狀態(tài)，導(dǎo)洞開挖容易造成圍巖失穩(wěn)破壞。因此，根據(jù)YAI 評價結(jié)果，確定開挖進尺為1.5m。該方案將在后續(xù)研究中采用。

圖4 不同開挖進尺的YAI 分布

3.3 導(dǎo)洞開挖順序優(yōu)化分析

對四種不同的導(dǎo)洞開挖順序進行模擬分析。圖5為不同方案的地表沉降直方圖。四種方案（F1～F4）引起的地表沉降最大值分別為6.74mm、7.03mm、8.96mm 和9.52mm。C1、C2 導(dǎo)洞開挖對地表影響最大。上層兩側(cè)導(dǎo)洞開挖對地表沉降影響最小。從導(dǎo)洞橫向施工順序分析，與先開挖中間引導(dǎo)洞相比，先開挖兩側(cè)導(dǎo)洞能更好地控制地表沉降。根據(jù)導(dǎo)洞縱向施工順序分析，為限制地表沉降，先開挖上部引導(dǎo)洞為佳。地表沉降模擬結(jié)果表明，導(dǎo)洞開挖順序選擇A1—A2—B1—B2—C1—C2，即先上后下、先兩邊后中間的施工順序時，導(dǎo)洞施工階段對地面的擾動最小。

圖5 地表沉降直方圖

圖6 為不同開挖順序下導(dǎo)洞周圍巖體YAI 的分布。從圖5 中可以看出，不同導(dǎo)洞開挖順序?qū)?yīng)的圍巖屈服面積相似。選用F1 施工時，臨界屈服面積最小。當(dāng)選擇F4 施工時，YAI 最大值為1，即先導(dǎo)隧洞周圍出現(xiàn)塑性區(qū)。因此，在先導(dǎo)隧道開挖過程中，最佳方案為A1—A2—B1—B2—C1—C2。

圖6 導(dǎo)洞不同施工順序的YAI 分布

4 結(jié)論

第一，采用PBA 法可將YAI 有效應(yīng)用于先導(dǎo)隧道開挖全過程，并可區(qū)分先導(dǎo)隧道周邊未進入塑性區(qū)的巖土風(fēng)險程度，為先導(dǎo)隧道的安全性評價提供可靠參考。先導(dǎo)隧道開挖階段，在保證施工安全的前提下，根據(jù)圍巖變形、應(yīng)力和屈服接近度評價結(jié)果，先導(dǎo)隧道圓形開挖進尺應(yīng)為1.5m。

第二，先導(dǎo)隧道開挖階段，在保證施工安全的前提下，根據(jù)圍巖變形、應(yīng)力和YAI 評價結(jié)果，引導(dǎo)洞的開挖進尺應(yīng)為1.5m。6 個導(dǎo)洞開挖后，地表沉降槽形態(tài)基本呈現(xiàn)單一槽形。然而，其發(fā)展過程不同。引導(dǎo)洞從上到下、從側(cè)到中施工順序?qū)Φ乇沓两悼刂菩Ч詈茫舷乱龑?dǎo)洞疊加效果明顯。

第三，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合較好，驗證了先導(dǎo)隧道開挖方案的可行性。該方案可為該工程的后續(xù)施工及類似地質(zhì)條件下的PBA 法地鐵車站施工提供參考。