趙 迎，霍 奇，宋戰(zhàn)平，胡 敏，王軍保，周冠南

(1. 北京市政路橋股份有限公司，北京 100045；2. 陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗室, 陜西 西安 710055；3. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；4. 中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300)

地鐵施工過程中經(jīng)常遇到上軟下硬的復(fù)合地層，在這種復(fù)合地層中進(jìn)行地鐵建設(shè)，隧道拱頂通常位于上部軟弱土層中，其成拱效應(yīng)和自穩(wěn)能力較差，容易發(fā)生變形及誘發(fā)地表過大沉降[1-2].為了解決上述問題，近年來，在傳統(tǒng)大斷面施工方法的基礎(chǔ)上逐漸形成了一種拱蓋法，其可以充分利用下伏圍巖(上軟下硬地層中的硬層)較強(qiáng)的承載能力，降低工程造價，提高施工效率[3-7].

作為一種新型施工方法，拱蓋法在工程中的應(yīng)用相對較少，相關(guān)學(xué)者對其施工穩(wěn)定性和開挖力學(xué)行為進(jìn)行了研究.楊忠年等人[8]通過大尺寸模型試驗，研究了拱蓋法施工時隧道圍巖的力學(xué)特性與變形規(guī)律，將地表沉降過程分為三個階段并進(jìn)行了詳細(xì)分析.Shang等人[9]采用數(shù)值模擬方法，研究了拱蓋法施工中不同支護(hù)措施組合控制圍巖變形的效果，結(jié)果表明，采用雙層初支和附加大拱腳措施控制地表沉降效果最好.張光權(quán)等人[10]對某地鐵車站拱蓋法施工過程中的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，確定了地表沉降發(fā)展的變化規(guī)律，據(jù)此提出一系列控制對策，并經(jīng)實(shí)踐證明了其有效性.SONG and HE[11]采用數(shù)值模擬方法，分析了在上軟下硬巖質(zhì)地層中進(jìn)行大跨隧道施工時圍巖的松動特性和拱蓋法施工中二次襯砌與支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征，確定了影響圍巖松動區(qū)大小的主要因素.劉濤等人[12]采用數(shù)值計算的方法，研究了拱蓋法施工過程中單次拆撐長度和拆撐順序?qū)χ苓叚h(huán)境和隧道結(jié)構(gòu)的影響，研究結(jié)果表明，選擇交替拆撐順序和單次6 m的拆撐長度對周邊環(huán)境影響較小，施工更為安全.上述研究介紹了拱蓋法在上軟下硬地層中的初步應(yīng)用情況，但作為一種新的施工方法，拱蓋法在工程中的應(yīng)用遠(yuǎn)未普及，其施工過程中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)有待進(jìn)一步明確.

拱蓋法包括二襯拱蓋法、初支拱蓋法和疊合初支拱蓋法三種[13]，但后兩者都是通過設(shè)置加強(qiáng)初支提高拱蓋承載能力，僅在結(jié)構(gòu)形式上有略微差別.本文以中國貴陽軌道交通2號線省醫(yī)站為研究背景，針對大跨暗挖車站上軟下硬復(fù)合地層特點(diǎn)，借助有限元軟件，模擬了疊合初支拱蓋法開挖主隧道的全過程，分析了疊合初支拱蓋法施工引起的地表沉降、拱頂沉降、管線豎向位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力和塑性區(qū)分布，并將現(xiàn)場實(shí)測地表沉降數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比，確定省醫(yī)站主隧道選用疊合初支拱蓋法施工是合理、可行的.

1 工程概況

1.1 車站概況

省醫(yī)站位于貴陽市寶山南路與都司高架路交叉口北側(cè)，是貴陽市軌道交通2號線工程的第23個車站，沿寶山南路呈南北向布置.站址范圍內(nèi)西北象限是省人民醫(yī)院門診大樓，距離車站主體約50 m；東北象限為依山碧玉小區(qū)和貴陽市公路管理局，距離車站主體約16 m；東南象限是半上坡的居民自建2～3層房屋，距離車站主體約10.4 m；南側(cè)為蟠桃宮立交橋，與車站主體相距約39.3 m.省醫(yī)站平面布置圖如圖1.

車站主體長度200 m，寬度約20.9 m，軌面埋深25.2～27 m，最大斷面面積334 m2，拱頂上方覆土約7～11m.站址范圍寶山南路有雙向5個快速車道和4個輔道，為貴陽市重要干道，交通繁忙，設(shè)人行天橋一座.據(jù)市政提供的資料，場地下管網(wǎng)密集，其中，Φ1 000污水管為控制性管線，埋深5.3 m，施工時無法改遷.若開挖引起較大地層變形，將嚴(yán)重破壞重要建(構(gòu))筑物和地下管網(wǎng)，因此，應(yīng)選擇合適的開挖方法以控制沉降在安全范圍內(nèi).

圖1 省醫(yī)站平面布置圖Fig.1 Plane layout of the Provincial Hospital Station

依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察資料，代表性地層剖面從上到下依次為：3 m厚雜填土、13.2 m厚紅黏土以及中風(fēng)化白云巖，具有“上軟下硬”特性.車站主要位于中風(fēng)化白云巖層，大部分拱頂中風(fēng)化巖層覆蓋厚度僅0.5～5 m，局部位于紅黏土層，開挖難度大.

1.2 施工方法

針對該大跨暗挖車站上軟下硬地層條件及主隧道上部市政管線多、交通流量大及沉降控制要求嚴(yán)格這些特點(diǎn)，省醫(yī)站主隧道擬采用疊合初支拱蓋法進(jìn)行施工，這樣既可以有效控制沉降，也能安全、高效的進(jìn)行施工作業(yè)，提高效率，還能夠節(jié)省樁的施工成本.

疊合初支拱蓋法的施工工序如圖2所示，其主要施工步驟如下：

(1)開挖左、右上導(dǎo)洞即圖2中①～④部土體，施作初期支護(hù)(錨桿、小導(dǎo)管、鋼架、噴混凝土、臨時支撐)；

(2)開挖中部上導(dǎo)洞即⑤部土體，并施作初期支護(hù)(錨桿、小導(dǎo)管、鋼架、噴混凝土、臨時支撐)；

(3)開挖⑥～⑦部土體，施作橫撐；

(4)在大拱腳部位打設(shè)鎖腳錨桿(保證有0.5 m左右錨入加強(qiáng)初支中)，鑿除臨時支護(hù)上部噴砼，模筑加強(qiáng)初支混凝土，以此循環(huán)施作；

(5)加強(qiáng)初支混凝土強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后，開始拆除臨時支撐，并開挖⑧部核心土體；

2 數(shù)值模擬與分析

2.1 地質(zhì)模型及邊界條件

為全面分析疊合初支拱蓋法施工引起的圍巖沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和圍巖塑性區(qū)等特性，本文采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究.選取車站代表性結(jié)構(gòu)斷面，利用大型有限元軟件Midas GTS NX，建立省醫(yī)站疊合初支拱蓋法開挖三維地質(zhì)模型，見圖3，該模型包括205 086個單元，36 693個節(jié)點(diǎn).車站主隧道模型如圖4所示，Y的正向為隧道開挖方向.

圖3 省醫(yī)站整體模型Fig.3 Overall model of the Provincial Hospital Station

為消除邊界尺寸對數(shù)值試驗結(jié)果的影響，左右邊界取距離車站隧道中線5倍隧道洞徑(R=10.45 m)，即為52.25 m，底部邊界取距離車站隧道中線4倍隧道洞徑，上部邊界按照地鐵車站現(xiàn)場勘察埋深進(jìn)行選取，埋深28.2 m，則X、Y、Z方向邊界長度分別為104.5 m、45 m、70 m.圍巖和加強(qiáng)初支采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，本構(gòu)關(guān)系為Mohr—Coulomb；初期支護(hù)、臨時支撐和二次襯砌采用板單元進(jìn)行模擬，本構(gòu)模型為彈性結(jié)構(gòu)；污水管利用植入式梁進(jìn)行模擬，本構(gòu)模型為彈性結(jié)構(gòu).模型的四周立面與底部邊界面采用法向位移約束，地表設(shè)置為自由邊界面.各施工步緊密銜接，一次開挖進(jìn)尺3 m.

圖4 主隧道模型Fig.4 Model of the main tunnel

2.2 材料參數(shù)

根據(jù)地勘報告，各地層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示.

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

按照剛度等效方法[14]，利用式(1)等效計算支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性模量.折算后的力學(xué)參數(shù)如下表2所示.

(1)

式中：Ec為折算后混凝土彈性模量；E0為原混凝上彈性模量；As為鋼拱架或格柵截面積；ES為鋼材彈性模量；Ac為混凝土面積.

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計算結(jié)果分析

2.3.1 地表沉降與拱頂沉降

城市地區(qū)地鐵車站隧道開挖，不可避免擾亂原地應(yīng)力場，引起應(yīng)力重分布，導(dǎo)致地表及重要建(構(gòu))筑物發(fā)生沉降[15-16].因此，預(yù)測施工過程中可能引起的沉降和破壞極為重要.圖5、6分別給出了疊合初支拱蓋法施工完成后Y=20.45 m處的地表沉降槽曲線和污水管豎向位移云圖.

圖5 地表沉降槽Fig.5 Surface settlement trough

圖6 污水管豎向位移Fig.6 Vertical displacement of the sewage pipe

從圖5可以看出，疊合初支拱蓋法施工引起地表發(fā)生的最大沉降量約為19.99 mm，主要引起隧道中線兩側(cè)約30 m范圍內(nèi)地層發(fā)生沉降.圖6顯示，疊合初支拱蓋法施工引起Φ1 000污水管的最大沉降、隆起值分別為23.345 mm、0.213 mm，兩者相距約31.6m，傾斜率0.0007，管線較安全[17].該方法對于地表沉降與控制性管線的影響均較小.

圖7是疊合初支拱蓋法開挖過程中距起始開挖面8 m處隧道中線上方地表沉降和拱頂沉降隨開挖步的變化曲線圖.圖7表明，疊合初支拱蓋法施工所引起的地表沉降值要小于拱頂沉降值；地表沉降方面，沉降過程持續(xù)時間短，尤其是沉降快速發(fā)展期，雖然在第二個開挖步(S2)進(jìn)入，以平均2.14 mm/開挖步的沉降速率增長，但在拱部加強(qiáng)初支(S10)施作以后，增長速率明顯放緩，且在該位置處加強(qiáng)初支(S11)完成以后沉降開始趨于穩(wěn)定，基本不再增加；拱頂沉降方面，起始與其地表沉降同步，而后較早快速發(fā)展，最終在S10以后增長速率放緩沉降基本不再增加，逐漸趨于穩(wěn)定，與地表沉降一致.

圖7 地表沉降和拱頂沉降Fig.7 Surface settlement and vault settlement

2.3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力

初期支護(hù)作為隧道結(jié)構(gòu)承載體系的一部分，對于充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)性、確保施工安全、保證施工正常進(jìn)行意義重大.取一榀初期支護(hù)中部板單元進(jìn)行研究，圖8為初期支護(hù)橫向(X軸)和縱向(Y軸)軸力圖.

圖8 初期支護(hù)軸力Fig.8 Axial force of primary support

從圖8可以看出，疊合初支拱蓋法施工引起的橫、縱向最大拉力值和最大壓力值分別為968.19 kN、-1 297.40 kN和987.38 kN、1 472.08 kN，主要引起支護(hù)結(jié)構(gòu)受壓.此外，疊合初支拱蓋法施工引起的橫、縱向軸力發(fā)生拉壓變化的次數(shù)較多，引起初期支護(hù)受拉區(qū)和受壓區(qū)頻繁轉(zhuǎn)換，從而會影響初期支護(hù)的安全性.這主要是因為疊合初支拱蓋法上半斷面開挖工序繁瑣，導(dǎo)洞多且相互影響，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)分段多次合攏成型.因此，疊合初支拱蓋法的初期支護(hù)易受破壞，對于支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求更高.

2.3.3 圍巖塑性區(qū)

圍巖塑性區(qū)分布可直接反映地下結(jié)構(gòu)圍巖-支護(hù)體系的安全和穩(wěn)定性.圖9給出了兩種方法施工完成后塑性應(yīng)變在0.000 5以上的塑性區(qū)分布，其中藍(lán)色區(qū)域為圍巖的塑性區(qū).

圖9 塑性區(qū)分布Fig.9 Distribution of plastic zones

從圖9可以看出，疊合初支拱蓋法塑性區(qū)范圍相對較小，塑性區(qū)集中在巖土分界面大拱腳上方，最大塑性應(yīng)變約為0.001 12，數(shù)值較小，這是因為拱蓋部位設(shè)置加強(qiáng)初支，上部荷載主要通過大拱腳承擔(dān)，而后傳遞給中風(fēng)化白云巖，充分發(fā)揮了中風(fēng)化白云巖的承載能力.

綜合以上分析，在上軟下硬地層中進(jìn)行大跨暗挖隧道施工，疊合初支拱蓋法可以充分利用下伏圍巖承載能力，有效控制沉降，引起圍巖塑性區(qū)分布范圍與圍巖塑性應(yīng)變值也較小.但是，采用疊合初支拱蓋法施工時，初期支護(hù)拉壓轉(zhuǎn)換頻繁，較為薄弱，易受破壞，現(xiàn)場施工時應(yīng)針對性加強(qiáng)監(jiān)控量測，及時施作加強(qiáng)初支.

3 現(xiàn)場監(jiān)測

經(jīng)綜合比較分析，貴陽軌道交通2號線省醫(yī)站主隧道選用疊合初支拱蓋法進(jìn)行施工，現(xiàn)場施工情況如圖10所示.為確保施工安全，省醫(yī)站施工過程中對該方法引起的地表沉降進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測，圖11給出了省醫(yī)站數(shù)值模擬范圍內(nèi)四個斷面(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ)的監(jiān)測點(diǎn)布置平面圖.其中，紅色雙實(shí)線為車站輪廓線，藍(lán)色虛線為數(shù)值模擬段輪廓線.各監(jiān)測斷面的間距為10 m，且#1測點(diǎn)位于隧道中軸線上方.數(shù)值模擬段左邊界到監(jiān)測斷面I的距離為8 m，數(shù)值模擬段右邊界到監(jiān)測斷面IV的距離為7 m.

圖10 省醫(yī)站現(xiàn)場施工圖Fig.10 On site construction drawing of the Provincial Hospital Station

圖11 省醫(yī)站部分監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)圖Fig.11 Layout of certain monitoring points of the Provincial Hospital Station

選取地表#1、#2兩個測點(diǎn)變形穩(wěn)定后的沉降數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行比較分析.圖12為兩測點(diǎn)的沉降曲線，從圖中可以看出，各測點(diǎn)沉降量隨時間的變化具有相似性，主要包括先期沉降、快速沉降、基本控制、二次沉降及逐漸收斂五個階段.受左、右上導(dǎo)洞①～④施工擾動影響，地表緩慢沉降1.02 mm和1.07 mm；當(dāng)開挖至監(jiān)測斷面時，沉降快速發(fā)展，沉降量分別達(dá)到了9.41 mm和10.65 mm；而后左、右上導(dǎo)洞繼續(xù)推進(jìn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)及時施作，沉降基本不在發(fā)展，兩測點(diǎn)的累積沉降量分別保持在7.74～9.41 mm和9.84～10.65 mm范圍內(nèi)；隨著滯后的中部上導(dǎo)洞下穿監(jiān)測點(diǎn)，地表發(fā)生第二次快速沉降，加之拆除臨時支撐的影響，與前面的施工階段相比，該階段內(nèi)地表沉降量更大，沉降持續(xù)時間更長，累積沉降量分別達(dá)到22.03 mm和19.94 mm，直到加強(qiáng)初支施作并發(fā)揮作用時沉降逐漸收斂，最終沉降值達(dá)到23.18 mm和19.99 mm.

圖12中同時給出了通過數(shù)值模擬得到的測點(diǎn)#1和#2累積沉降量隨施工步的變化規(guī)律.從圖中可以看出，現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果和數(shù)值計算得到的地表沉降規(guī)律基本相同，但前者存在沉降停止階段，而后者曲線相對光滑，不存在停止階段.這主要是因為數(shù)值模擬過程中考慮的是較為理想的情況，各施工步驟的銜接較為緊密.此外，與實(shí)測數(shù)據(jù)相比，數(shù)值計算結(jié)果總體偏小，測點(diǎn)#1和#2最終沉降量與實(shí)測結(jié)果的偏差分別為2.55 mm和2.43 mm.這是由于在進(jìn)行數(shù)值計算時，假定巖(土)體材料為均勻和各向同性的連續(xù)介質(zhì)，忽略了巖(土)體中的節(jié)理、裂隙等材料力學(xué)行為的影響，從而導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果小于實(shí)測數(shù)據(jù)，但這并不影響總體規(guī)律的正確性.

圖12 地表沉降量變化曲線Fig.12 Surface settlement variation curve

4 結(jié)論

本文依托貴陽軌道交通2號線省醫(yī)站主隧道工程，利用Midas GTS NX，模擬了疊合初支拱蓋法開挖主隧道的全過程，分析了施工過程可能造成的沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性和圍巖塑性區(qū)分布，并比較分析了現(xiàn)場實(shí)測地表沉降數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，主要得出以下結(jié)論：

(1)在上軟下硬地層中進(jìn)行大跨度暗挖車站施工，疊合初支拱蓋法可以充分利用下伏圍巖承載能力，有效控制沉降，且施工引起的圍巖塑性區(qū)分布范圍和圍巖塑性應(yīng)變值較小.

(2)采用疊合初支拱蓋法施工時，初期支護(hù)拉壓區(qū)轉(zhuǎn)換頻繁，較為薄弱，易受破壞，施工時有必要進(jìn)行針對性的監(jiān)控量測，并盡早施作加強(qiáng)初支.

(3)與現(xiàn)場實(shí)測地表沉降數(shù)據(jù)對比顯示，疊合初支拱蓋法數(shù)值模擬結(jié)果在地表沉降變化趨勢上與實(shí)測結(jié)果一致，且二者的最終沉降量偏差較小.因此，省醫(yī)站主隧道選用疊合初支拱蓋法進(jìn)行施工合理、可行.