浅埋大断面隧道矿山法施工方案比选

王丽敏,贾 虎,汪海波,杨 明

(1.安徽理工大学 土木建筑学院,安徽 淮南 232001;2.南阳师范学院 土木建筑工程学院,河南 南阳 473061;3.中煤第三建设(集团)有限责任公司,安徽 合肥 230000)

矿山法是地下工程重要的开挖方式,城市隧道施工为控制地层沉降常采用CRD法[1]、CD法[2]和双侧壁导坑法[3]等分部开挖方法。无论采用哪种方法,隧道开挖都避免不了因围岩应力重分布产生的位移,位移的产生对地面的建(构)筑物的安全带来影响。同时,不同的开挖方法与机械设备、施工效率和工期密切相关,因此隧道城市隧道开挖的效率和安全性成为一个矛盾集合体,也是影响当前隧道安全施工的关键。

众多专家学者对不同条件下隧道的施工方法进行研究,杜晓伟等[4]以京津城际延伸线穿越金元宝海鲜宫的工程为背景,发现盾构隧道施工对邻近桩基础建筑物产生沉降及变形影响。周飞等[5]以新鼓山单洞双线隧道为背景,利用有限元软件对不同开挖方法和不同支护方式的隧道变形进行分析,结果表明采用双侧壁导坑法开挖可减小隧道下穿段施工的风险,采用单层大管棚加小导管注浆方式的超前支护可保证施工安全。崔铁军等[6]采用数值模拟对矿山法双线地铁施工进行沉降分析得到施工时地表沉降规律。冯国冠[7]对盾构施工地表沉降的过程进行分析,并提出控制地表沉降的有效措施。崔光耀等[8]以北京地铁暗挖区间隧道为背景,利用数值模拟对中隔壁法(CD法)和洞桩法(PBA法)开挖隧道在四种不同施工顺序下进行研究得到施工顺序对位移的影响。汤劲松等[9]对隧道以台阶法和分部开挖法进行模拟分析,结果表明对于偏压地形先开挖支护浅埋一侧后开挖深埋一侧有利于拱部围岩的稳定。温树杰等[10]以实际工程为例,对交叉中隔墙法(CRD法)施工进行分析,结果表明在考虑渗流的情况下围岩拱顶位移比拱腰和拱底大。张志强等[11]以山岭重丘区高速公路工程为依托,模拟分析了三导洞法和中导洞法连拱隧道施工过程,研究结果指出埋深、围岩性质和施工工法对连拱隧道中隔墙荷载影响大,中导洞工法配合大型机械施工可大程度缩短工期。李兆平等[12]对大直径盾构隧道PBA工法扩挖进行分析,结果表明在施工设计时必须考虑到非对称开挖两侧中洞对中隔墙应力分布状态的影响。唐伟等[13]对浅埋偏压双连拱隧道采用三导洞施工法不同施工顺序进行模拟分析,结果表明先外后内的施工顺序更有利于围岩的稳定。王飞等[14]以某高速公路双连拱隧道为背景,研究导洞法和台阶法对围岩稳定性的影响,结果表明采用导洞法开挖隧道底部的位移量和分布范围可得到有效控制。

本文在现有研究基础上,采用ANSYS有限元软件以某地铁出入场隧道施工为背景,建立出入场线隧道开挖、支护计算模型,分别对双中隔壁台阶法、CD法开挖过程进行数值模拟,比较两种开挖方法对隧道的位移和衬砌应力的影响,为现场施工提供指导。

1 基本概况

1.1 工程概况

某地铁施工出入场线的净宽为11.8m,净高为9.6m。左、右两隧道的净宽为6.98m,净高为7.401m。根据设计资料,出入场线隧道临时支护中隔墙厚度0.3m,采用工22A工字钢、C25素喷早强混凝土、纵向连接筋直径22mm、钢筋网为直径8mm间距150×150mm,具体衬砌断面形式和参数如图1所示,各岩土体及喷射混凝土基本物理力学参数见表1。

图1 衬砌断面图

表1 岩土体和喷射混凝土参数

1.2 施工方案优化

根据总体规划,正线区间隧道工作面先行施工,左线、右线和出入场线工作面互相之间距离不小于25m。施工工序平面图如图2所示。

(a)CD法

(b)双中隔壁台阶法

图2中各序号为施工先后顺序,CD法将隧道从中间分为左右两部分,同时开挖左边部分再开挖右边部分;双中隔壁台阶法是以CD法为基础分台阶先开挖左右两部分上部台阶,再开挖中间台阶左右部分,最后开挖下台阶左右部分,从而确保开挖过程中的稳定性。

2 计算模型的建立

计算目的是比较两种不同开挖方法对隧道开挖过程中变形的影响,对于实际工程采用双中隔壁台阶法和CD法两种方法对出入场线隧道开挖、支护过程进行模拟。利用ANSYS建立模型,以隧道的中点处为原点,建一个长120m、宽20m、高47m的矩形,左右两边界均取54.1m,下边界取20m。数值计算在材料参数中将围岩定义D-P本构模型[15],以solid45单元、shell63单元分别模拟围岩和支护结构[16],并建立围岩的面模型和支护的线模型,线模型拉伸为壳模型,面拉伸为体模型。在隧道开挖和支护通过赋予单元“生、死”[17]。

划分好网络的隧道计算模型如图3所示。隧道穿过中风化石灰岩和红粘土,中隔墙用工22A工字钢、C25混凝土且加固其厚度为0.6m,然后沿出入场线隧道开挖方向每2m选取一个断面,研究拱顶、拱腰和拱底位移量变化值。

图3 三维有限元模型

3 计算结果与分析

3.1 单个隧道开挖拱顶竖向位移特征

模拟计算分析时,隧道每次开挖2m,得到出入场线隧道两种开挖方法不同开挖长度上各个截面拱顶处竖向位移变化趋势,如图4所示。

(a)双中隔壁台阶法

(b)CD法

对比图4(a)、图4(b),隧道拱顶竖向位移变化规律基本一致:在距离隧道口0m、2m、4m处,随着开挖长度逐步增长,拱顶竖直位移先增大,到开挖长度8m时趋于一个稳定值,采用双中隔壁台阶法时在距离隧道口0m处最终稳定值最大达到16.2mm,CD法达到19.3mm;距离隧道口6m、8m、10m处,在开挖长度超过4m后,拱顶竖直位移才开始增大,且随着开挖长度增加,采用双中隔壁台阶法时在距离隧道口10m处竖直位移最小达到13.8mm,CD法达到14.5mm。因此开挖变形随着断面沿开挖方向越靠近里面,最终的稳定位移越小,且CD法开挖的隧道,竖向位移较大,但是也在施工要求的合理变形范围内[18]。

距隧道口0m处,在开挖长度4m内的竖直位移达到最大;距隧道口2m处,在开挖长度4m内的竖直位移达到最大;距隧道口4m处,在开挖长度2m至6m内的竖直位移变化最大;距隧道口6m处,在开挖长度4m至8m内的竖直位移变化最大;距隧道口8m处,在开挖长度6m至10m内的竖直位移变化最大;距隧道口10m处,在开挖长度6m至10m内的竖直位移变化最大。因此施工时要控制好一次开挖的距离,并及时增加支护,避免因距离过大引起冒顶。

3.2 单个隧道开挖拱腰水平位移特征

出入场线隧道开挖时各个观测截面拱腰处水平位移变化趋势,如图5所示。

(a)双中隔壁台阶法

(b)CD法

由图5可知,两种开挖方法拱腰监测点处的水平位移都比拱顶的竖直位移小,这是由于对浅埋隧道,隧道的上方无法形成塌落拱,而位移主要集中在拱顶和拱肩,因此拱腰位移较小。在距离隧道口0m、2m、4m处,随着开挖长度逐步增加,拱腰水平位移逐渐增大,采用双中隔壁台阶法时在距离隧道口0m处竖直位移最大达到0.71mm,CD法达到1.42mm。距离隧道口6m、8m、10m处,在开挖长度超过2m后拱腰位移就已经开始增大。随着开挖长度增加,采用双中隔壁台阶法时在距离隧道口10m处竖直位移最小达到0.21mm,CD法达到0.31mm。CD法开挖的隧道拱腰水平位移也较中隔壁法大,但也在施工要求的合理变形范围。

距隧道口0m处,在开挖长度8m内的竖直位移达到最大;距隧道口2m处,在开挖长度8m内的竖直位移达到最大;距隧道口4m处,在开挖长度2m至10m内的竖直位移变化最大;距隧道口6m处,在开挖长度2m至10m内的竖直位移变化最大;距隧道口8m处,在开挖长度2m至10m内的竖直位移变化最大;距隧道口10m处,在开挖长度2m至10m内的竖直位移变化最大。因此相比拱顶位移拱腰位移影响范围更大。

3.3 单个隧道开挖拱底竖向位移特征

出入场线隧道各个截面拱底竖向位移,如图6所示。

(a)双中隔壁台阶法

(b)CD法

由图6可知,采用双中隔壁台阶法开挖隧道时刚开挖拱底竖向位移最大为4.95mm,而CD法较双中隔壁台阶法大为8.75mm,随着开挖长度的增加拱底竖向位移先减小再趋于稳定值。双中隔壁台阶法开挖隧道在距隧道口0m处开挖长度10m位移最小为3.45m,CD法为6.75mm,仍然是CD法的位移明显比双中隔壁台阶法大,但两种方法开挖隧道对于拱底竖向位移变化量都不大。对比图4、图5和图6,拱顶竖直位移的变化量是最大的,由此看出,双中隔壁台阶法和CD法两种不同的开挖方法对拱顶竖直位移的变化影响最大。

3.4 单个隧道开挖衬砌结构的等效应力特征

模拟计算分析隧道埋深17m时,不同开挖长度双中隔壁台阶法和CD法在开挖隧道衬砌结构的等效应力,隧道开挖2m埋深17m出入场线隧道两种方法开挖支护结构等效应力云图如图7所示,隧道开挖10m埋深17m中线隧道两种方法开挖支护结构等效应力云图如图8所示。

(a)双中隔壁台阶法

(b)CD法

(a)双中隔壁台阶法

(b)CD法

由图7可知,采用双中隔壁台阶法开挖隧道,隧道埋深17m开挖至2m时衬砌结构的等效应力最大值为16.4MPa,且最大等效应力位于偏向拱腰处;采用CD法开挖隧道,隧道埋深17m开挖至2m时衬砌结构的等效应力最大值为19.6MPa,最大等效应力位于拱顶处。由图8可知,开挖至10m处利用双中隔壁台阶法开挖隧道的衬砌结构等效应力最大值为19.9MPa,最大等效应力位于偏向拱腰处;开挖至10m处利用CD法开挖隧道的衬砌结构等效应力最大值为24.1MPa,最大等效应力位于拱顶处。

由图7和图8分别对比采用CD法和双中隔壁台阶法开挖隧道可知采用CD法开挖隧道的衬砌结构等效应力最大值较大且最大值位于拱顶处,双中隔壁台阶法的最大应力值位于偏向拱腰处。这是由于双中隔壁台阶法将隧道开挖部分分为6部开挖,而CD法是将开挖部分分为2部开挖,所以双中隔壁台阶法开挖使衬砌结构的应力不是集中在拱顶处,同时每台阶均可使用机械开挖也提高了隧道开挖的速度。

4 现场监测

4.1 现场施工情况

现场采用双中隔壁台阶法分三台阶开挖隧道,具体施工步骤:先开挖上左部①区开挖高度应不大于3.5m,施工5～6m后再施工右部②区(开挖高度与1号相同);②区施工5～6m后再开挖中左部③区,③区开挖高度应不大于4m,施工5～6m后再开挖中右部④区(开挖高度与3号相同);④区施工60～80m后再开挖下左部⑤区(一次性开挖15m),施工下部双中隔壁单边封闭成环;⑤区施工完毕后利用栈桥出矸,再开挖下右部⑥区,拆除双中隔壁初支封闭成环(绑扎钢筋浇筑二衬仰拱)。现场施工情况如图9所示。

(a)①区开挖

(b)上台阶开挖

4.2 实测数据

在实际工程中,每隔10m设置一个断面监测拱顶位移和地表位移,出入场线开挖DK45+858(距隧道口0m)、DK45+868(距隧道口10m)两断面30天的位移监测值如图10所示。

(a)DK45+858断面监测点位移

(b)DK45+868断面监测点位移

由图10可知,在隧道开挖后拱顶位移和地表位移都比较稳定没有大的浮动,DK45+858(距隧道口0m)处拱顶位移在17.2mm～18.3mm之间,地表位移在21mm～22mm之间,DK45+868(距隧道口10m)处拱顶位移在18.5mm～19.7mm之间,地表位移在21mm～22mm之间,且都在警戒值之内。地表位移比拱顶位移大说明在双中隔壁台阶法施工中隧道顶部有较强的支撑作用。

4.3 实测数据对比分析

出入场线开挖时,不同的开挖天数,监测点1(DK45+858)和监测点2(DK45+868)的拱顶竖直位移模拟值与实际监测值如图11所示,图中模拟值与实际监测值的差距均在1mm以内,在警戒值范围之内,表明模拟结果可靠,可以为实际工程应用提供参考。

图11 监测值与模拟值对比

结语

(1)双中隔壁台阶法的拱顶、拱腰和拱底位移均小于CD法的位移,拱顶位移差距不超过3mm,拱腰位移差距不超过1mm,拱底位移差距不超过4mm,且位移变化均在安全变形范围内,因此采用双中隔壁台阶法开挖隧道位移变形控制效果较好。

(2)在相同的埋深下从开挖2m到10m时双中隔壁台阶法的最大衬砌结构应力增加3.5MPa位置偏向拱腰处,CD法增加4.5MPa位于拱顶,且双中隔壁台阶法的衬砌结构应力小于CD法的衬砌结构应力,两种方法的衬砌结构应力的最大值都小于C25衬砌结构的抗压强度。基于双中隔壁台阶法和CD法的衬砌结构应力分布情况应加强拱顶和拱腰处的支护,避免应力过大,发生安全事故。

(3)对比两种开挖方法,采用双中隔壁台阶法施工位移变形和衬砌结构应力均在安全范围内控制效果较好,且每台阶均可使用机械施工提高了开挖效率,因此在浅埋隧道开挖时可优先考虑双中隔壁台阶法。