淺埋超大跨多導洞拱蓋法地鐵區間導洞施工方案優化研究

高曉剛 尹學鑫 崔 凱 舒文韜 馬龍祥

(1.中鐵三局集團廣東建設工程有限公司,510510,廣州; 2.西南交通大學土木工程學院,610031,成都∥第一作者,高級工程師)

近些年來,隨著城市地鐵的大規模建設以及為滿足地鐵運營的自身需求,以地鐵折返線為代表的淺埋大跨暗挖地鐵區間隧道在地鐵建設中愈發頻繁地出現[1]。為了減小施工風險,淺埋大跨暗挖地鐵隧道往往采用多導洞分部開挖的方式進行修建,在此背景下,導洞的施工力學效應及開挖方案對隧道施工安全及周邊環境影響的控制至關重要。大量學者針對大斷面暗挖隧道導洞開挖的合理施工方案及其對環境的影響開展了研究,取得了系列成果。文獻[2-4]分別對CRD(交叉中隔壁)法及洞樁法施工中導洞施工順序、施工錯距等施工參數對施工安全及周邊環境的影響進行了研究,并對導洞施工方案進行了優化;文獻[5-6]以拱蓋法3導洞地鐵隧道為工程背景,分析了導洞施工對圍巖變形及結構受力的影響。

綜合既有研究成果可以看到,目前關于城市大跨暗挖地下工程導洞施工力學效應及合理施工方案的研究主要是針對洞樁法及CRD法修建的地下工程,而關于拱蓋法地下工程導洞施工力學效應的研究較少,且既有研究也僅針對跨度較小、導洞數量不多的拱蓋法地下工程開展了相應研究。然而,隨著地下空間開發的不斷深入,采用多導洞(多于3個導洞)拱蓋法施工的超大跨地下工程在近些年也開始涌現。隨著導洞數量的增多,拱蓋法施工中多個導洞的群洞力學效應將變得十分顯著,而尋求大跨度拱蓋法多個導洞的合理施工方案以充分保障施工安全及環境影響可控也成為了目前一個重要且亟待解決的現實問題。有鑒于此,本文以廣州地鐵11號線華景路站—華師站區間超大跨拱蓋法施工工程為依托對此問題開展系統性研究,以期為類似工程提供一定參考。

1 工程概況

廣州地鐵11號線在華景路站—華師站區間設地鐵折返線,該折返區段為4線并行區段,長39.95 m,斷面寬28.4 m、高15.0 m,平均埋深約為19 m。該折返區段位于廣州繁華城區,其所處地層為典型的上軟下硬地層。該隧道是目前廣州市地鐵斷面跨度最大的地鐵隧道(見圖1),且周圍環境極其敏感。為了縮短建設工期并保障施工安全與低環境影響,該超大跨度區間隧道擬在盾構隧道先行通過的條件下,采用雙層初支拱蓋法的施工方式進行修建。由于隧道跨度大,扣拱的澆筑通過6個導洞的開挖來提供建造空間(見圖1)。大跨區段具體施工時,先在隧道拱部80°范圍內打設直徑159 mm、壁厚10 mm、長度45 m、環向間距350 mm的超前大管棚,然后進行導洞分部開挖并及時施作拱腳錨桿、一層初期支護和臨時支撐,待邊導洞貫通后開始施做縱梁,在縱梁強度達到設計要求且全部導洞貫通后再施做二層初期支護,最后在兩層初期支護與縱梁共同組成的拱蓋承載體系保護下進行臨時支撐拆除、下部空間開挖和二次襯砌施做等剩余工序的施工。顯然,在拱蓋承載體系形成之前的導洞開挖過程中,存在較大的施工安全及地層過量沉降變形風險。鑒于此,有必要對該工程導洞的施工方案開展優化研究,以指導導洞的高質量施工,從而最大限度地降低隧道施工風險及對周圍環境的影響。

注:1,2,…,6代表6個導洞編號;L為錨桿長度。

2 數值分析模型

2.1 模型建立

采用三維有限差分數值計算軟件FLAC3D建立三維數值模型,從導洞施工順序、施工錯距及施工進尺等關鍵施工參數出發,研究多導洞拱蓋法地鐵工程的合理導洞施工方案。模型尺寸(長度×高度×寬度)為200.0 mm×86.9 mm×40.0 mm(見圖2),模型的左右、前后以及下邊界采用法向位移約束條件。由于大跨段埋深較淺,采用自重應力場作為初始地應力場。隧道圍巖考慮為均質理想彈塑性材料,服從Mohr-Coulomb(摩爾-庫侖)屈服準則,并合理簡化為水平地層,采用三維實體單元進行模擬;盾構管片、第一層初期支護和臨時支撐考慮為彈性材料,采用殼單元模擬;超前支護通過設置等效加固區進行模擬[7];錨桿采用軟件內置結構單元——錨索單元進行模擬,所建立的三維數值模型如圖2所示。

a) 整體模型

2.2 計算參數選取

在數值模擬中,圍巖與結構的物理力學參數依據地質勘察報告、室內物理力學試驗資料和相應材料參數進行選取。第一層初期支護與臨時支撐均采用根據等剛度換算后的均質模型模擬[8]。由于它們分別承擔外荷載產生的彎矩和軸力,因此相應彈性模量分別按照抗彎剛度等效和抗壓剛度等效計算。模型的計算參數如表1所示。

表1 巖土體材料及支護結構的物理力學參數

2.3 施工過程模擬

本文主要對依托工程導洞的施工方案進行優化研究,因此僅對工程導洞開挖過程及鄰近工序進行模擬。為了探明導洞的合理施工方案,論文將設置多種導洞開挖方案進行分析研究。對于每一種導洞施工方案,相應的數值模擬施工步驟均為:形成初始地應力場→盾構隧道開挖貫通→施做超前管棚→各導洞依照相關順序與施工參數進行全斷面開挖并施做第一層初期支護與臨時支撐→施做邊導洞縱梁。

3 導洞施工參數對周邊環境的影響

3.1 導洞施工順序影響分析

考慮對稱施工和非對稱施工條件下各導洞的施工順序,并根據施工現場的可行性,確定如表2所示的7組不同導洞施工順序作為分析計算工況(導洞編號見圖2),研究導洞施工順序對周邊環境的影響。其中,工況1-7中的3′指3號導洞與其余導洞對向開挖,這樣可以在一定程度上避免或減輕施工過程中不同導洞施工的時空交叉,有利于施工組織,從而可有效提高施工效率。

表2 不同導洞施工順序

在分析中,各導洞施工進尺統一取為1 m,不同導洞掌子面縱向錯距統一取為5 m。以大跨區段中間斷面(模型縱向距離20 m處的斷面)作為研究目標面,選取各工況中有代表性的幾個施工狀態,探究在不同導洞施工順序過程中的圍巖豎向變形規律。各工況分析的施工狀態依次包括各導洞依照相應順序開挖至目標面狀態及后面縱梁施做至目標面與導洞全部貫通狀態,即對于表2中1-1—1-4的對稱開挖工況,分析5個施工狀態;而對于1-5—1-6的非對稱開挖工況,均分析8個施工狀態。具體以工況1-1為例,施工狀態1、2、3分別對應于導洞12、34、56開挖至目標面,而施工狀態4與5則分別對應于縱梁施做至目標面狀態及導洞全部貫通狀態。其余工況依此類推。

不同導洞施工順序條件下目標面處圍巖最大豎向位移隨施工進程變化曲線如圖3所示。由圖可以看出:位于拱蓋跨中的導洞1、2的開挖對于圍巖豎向位移的影響較大,工況1-1和工況1-5由于先開挖導洞1和導洞2,其圍巖豎向位移在施工初期就會發展到比較大的量值;非對稱開挖(工況1-5—1-7)相較于對稱開挖(工況1-1—1-4)對于控制圍巖豎向位移更有優勢,這是因為對稱開挖同時挖除的斷面面積要明顯大于非對稱開挖,因而會對圍巖產生更大的擾動。因此,從周邊環境影響的控制出發,并進一步考慮到施工組織的便利性,導洞的施工順序采用工況1-7的方案是最為有利的。

圖3 圍巖最大豎向位移隨施工過程變化曲線(不同導洞施工順序)

3.2 導洞施工進尺影響分析

為探究導洞施工進尺對圍巖變形的影響,設置施工進尺分別為0.5 m、1.0 m、2.0 m、4.0 m的4種工況進行計算分析。各工況分析中,導洞施工錯距統一取為5 m,施工順序統一按工況1-7進行。同樣選取中間斷面作為研究目標面,分析工況1-7中8個典型施工狀態下目標面的圍巖最大豎向位移,如圖4所示。

圖4 圍巖最大豎向位移隨施工過程變化曲線(不同導洞施工進尺)

從圖4中可以看出:不同導洞施工進尺條件下,圍巖位移在施工過程中存在顯著差異,進尺越大,圍巖位移越大;就最終狀態而言,施工進尺由0.5 m增加到4.0 m時,圍巖最大豎向位移會從-7.6 mm增加到-25.3 mm,量值增加3.33倍。顯然,這是由于施工進尺越短圍巖應力釋放越不充分的緣故所造成的。因此,為了控制對周邊環境影響,本工程導洞的施工進尺選擇為0.5 m最為有利。

3.3 導洞施工錯距影響分析

為探究導洞施工錯距對圍巖變形的影響,設置4 m、6 m、8 m、10 m的4種施工錯距工況進行計算分析。在分析中,導洞施工進尺統一取為0.5 m,施工順序統一按工況1-7進行。同樣選取中間斷面作為研究目標面,分析施工順序工況1-7中8個典型施工狀態下目標面的圍巖最大豎向位移變化規律,如圖5所示。

圖5 圍巖最大豎向位移隨施工過程變化曲線(不同導洞施工錯距)

從圖5可以看到:由于不同的導洞施工錯距會導致圍巖橫向和縱向的成拱效應產生一定差別,因此不同施工錯距對不同施工階段圍巖變形的影響有所不同,但總體而言,不同錯距對圍巖豎向位移的影響并不顯著。

4 基于數值模擬的導洞合理施工方案正交試驗研究

為了進一步探明導洞合理施工方案,通過正交試驗方法綜合考慮導洞施工順序、施工錯距和施工進尺3種關鍵施工參數聯合作用下的圍巖-支護結構施工力學效應,并結合前述分析,得出最優的現場導洞施工方案。

4.1 正交試驗方案設計

以導洞施工順序(A)、施工錯距(B)和施工進尺(C)為影響因素,設計3種因素3個水平的無交互作用的等水平正交試驗,試驗的因素和水平如表3所示。

表3 導洞合理施工方案正交試驗因素和水平

在具體試驗時,依據L9(33)正交表進行相應工況的數值計算,并選擇最終狀態圍巖位移、圍巖應力及支護結構內力作為評價指標,綜合評價各工況施工力學響應的優劣。

4.2 正交試驗結果分析

通過數值計算得出正交試驗結果,并按照正交試驗分析原理[9]計算各因素每個水平試驗值的平均值,并繪制其與評價指標的關系曲線,如圖6所示。從圖6中可以看出,導洞施工順序、施工錯距和施工進尺對于圍巖最大位移、圍巖最小主應力、支護結構內力的影響顯著性排序依次為:施工進尺>施工順序>施工錯距。而各種施工參數對于圍巖最大主應力的影響顯著性排序依次為:施工順序>施工進尺>施工錯距。因此,總的來說對于導洞施工效果影響最大的施工參數為施工進尺,其次為施工順序,而影響最小的是施工錯距。

a) 圍巖最大豎向位移

對于圍巖位移而言,圍巖位移越小方案越好,因此僅從圍巖位移來看最優施工方案為:A1B2C1。對于圍巖應力而言,圍巖最大主應力應小于0以保證圍巖處于穩定狀態;若大于0(受拉),則量值越小越好;同時圍巖最小主應力的絕對量值也是越小越好,因此僅從圍巖應力來看最優施工方案為:A3B2C1。對于支護結構內力而言,支護結構內力越小越好,因此僅從支護結構內力來看最優施工方案為:A1B2C2。對于依托工程,需綜合考慮圍巖位移、應力和支護結構內力,以最終確定導洞最優施工方案?；诖?結合本文第3章中關于關鍵施工參數對圍巖最大豎向位移影響的分析,選擇A1B2C1作為導洞施工方案最為合適,即導洞的最優施工順序為3′→4→1→2→5→6,最優施工錯距為6 m,最優施工進尺為0.5 m。因為采用這樣的導洞施工方案,不僅能控制本工程對周邊環境的影響,而且還可同時兼顧圍巖與支護結構受力安全以及對現場施工效率的要求。

5 優化方案現場應用效果分析

依據導洞方案優化結果,現場按照建議的導洞施工方案進行了施工。截至目前,最后開始施工的導洞6已施工了約19.5 m,導洞5已施工了約25.5 m。在此施工狀態下,選取DK7+852里程處(該斷面滯后于當前狀態導洞6掌子面約5 m,即所有導洞均已開挖通過該斷面)導洞拱頂沉降實測值與導洞施工數值模擬結果進行對比分析,如圖7所示。通過對比可知,導洞拱頂位移現場實測值與數值模擬結果具有較好的一致性,驗證了數值模擬的正確性。從兩者的結果都可以看出,拱頂位移基本沿隧道中線呈對稱分布,導洞1、2的拱頂位移較大,導洞5、6和導洞3、4的拱頂位移較小,且導洞拱頂最大沉降均小于控制值20 mm。由此可見,導洞施工優化方案在現場取得了良好的應用效果。

圖7 DK7+852里程處導洞拱頂位移實測值與數值模擬值對比

6 結論

1) 非對稱開挖方式相較于對稱開挖方式對于控制圍巖位移更為有利,同時,先開挖中間導洞會導致整個施工過程中圍巖位移始終處于較大量值水平,不利于施工風險管控。因此,超大跨多導洞拱蓋法地鐵隧道導洞的施工宜遵循“先邊后中”及“非對稱開挖”的原則。

2) 導洞施工參數對于圍巖變形、圍巖最小主應力、支護結構內力的影響顯著性排序依次為:施工進尺>施工順序>施工錯距;對于圍巖最大主應力的影響顯著性排序依次為:施工順序>施工進尺>施工錯距。因此,總體而言,在上軟下硬地質條件下,對于超大跨多導洞拱蓋法導洞施工力學效應影響最大的施工參數為施工進尺,其次為施工順序,而影響最小的是施工錯距。

3) 依托廣州地鐵11號線折返區段工程的導洞最優的施工順序為3′→4→1→2→5→6,最優的施工錯距為6 m,最優的施工進尺為0.5 m。