淺埋隧道大小斷面轉(zhuǎn)換工程數(shù)值計(jì)算及工藝優(yōu)化

淺埋隧道大小斷面轉(zhuǎn)換工程數(shù)值計(jì)算及工藝優(yōu)化

摘要：貴陽地鐵2號(hào)線金朱西路站～誠信路站區(qū)間是位于巖溶發(fā)育地區(qū)的淺埋深隧道，在建設(shè)過程中，存在多種斷面的切換。小斷面轉(zhuǎn)大斷面開挖常采用逐漸擴(kuò)大斷面正掘，擴(kuò)至設(shè)計(jì)大斷面后反掘的方式進(jìn)行施工?？紤]巖溶發(fā)育區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件，對(duì)傳統(tǒng)漸變斷面外擴(kuò)“喇叭口”施工方法進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種短距外擴(kuò)接斷面突變施工工法，該方法的核心為在從小斷面起逐漸加大斷面，在斷面尺寸適宜時(shí)在強(qiáng)支護(hù)下突增斷面至設(shè)計(jì)大斷面。解決了地質(zhì)條件難以開展?jié)u變施工的限制，同時(shí)降低了外擴(kuò)和反掘工作量。為驗(yàn)證該方法的合理性，根據(jù)地勘資料和實(shí)際工程特征建立數(shù)值計(jì)算模型。計(jì)算了在正掘擴(kuò)面過程中采用密集超前注漿錨桿、噴射混凝土和系統(tǒng)錨桿支護(hù)條件下圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)及地表沉降，通過數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性。研究成果為相關(guān)工程提供參考。關(guān)鍵詞：地鐵隧道；斷面轉(zhuǎn)換；短距外擴(kuò)接斷面突變施工工法；巖溶地區(qū)；數(shù)值計(jì)算。1引言地鐵隧道站點(diǎn)和會(huì)車等線路復(fù)雜，設(shè)計(jì)的大小斷面轉(zhuǎn)換工程較多。其中由小斷面轉(zhuǎn)為大斷面施工較復(fù)雜，在施工組織和變形控制方面帶來挑戰(zhàn)。練志勇[1]采用FLAC計(jì)算了突變斷面隧道施工地表沉降，發(fā)現(xiàn)從小斷面轉(zhuǎn)大斷面施工引起的地表沉降明顯小于較大斷面轉(zhuǎn)小斷面引起的沉降。劉瑞琪[2]介紹了大連3號(hào)線穿越巖溶區(qū)的施工流程及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段。王亞君[3]應(yīng)用有限元程序計(jì)算了復(fù)雜變截面隧道開挖地表沉降和圍巖應(yīng)力及變形響應(yīng)，驗(yàn)證了組合梁理論和Peck模型在計(jì)算淺埋隧道引起地表沉降的適宜性。閆明超等[4]介紹了合分修隧道由4個(gè)斷面逐漸擴(kuò)大斷面的施工工藝；侯琴[5]介紹了重慶市軌道6號(hào)線變截面隧道施工工藝?？梢娮償嗝媸┕な撬淼朗┕ぶ械闹匾獑栴}，且在巖溶發(fā)育地區(qū)的研究較少。小斷面轉(zhuǎn)大斷面施工通常采用逐漸擴(kuò)大斷面的“喇叭”外擴(kuò)法施工，外擴(kuò)過程中的支護(hù)均為臨時(shí)支護(hù)，在擴(kuò)大至設(shè)計(jì)大斷面后需拆除，反擴(kuò)工作量大，造成材料的浪費(fèi)；此外在巖溶地區(qū)，漸變斷面段在臨時(shí)支護(hù)條件下穿越巖溶發(fā)育區(qū)為施工安全帶來挑戰(zhàn)。本文結(jié)合貴陽地鐵2號(hào)線金朱西路站～誠信路站區(qū)間巖溶發(fā)育地質(zhì)條件下大小斷面轉(zhuǎn)換段地質(zhì)情況和工程特征，設(shè)計(jì)了一種短距外擴(kuò)接斷面突變施工工法，并建立數(shù)值計(jì)算模型，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法對(duì)開挖過程和地表沉降控制的影響。研究相關(guān)為相關(guān)工程提供借鑒。2工程背景2.1地質(zhì)條件概況場(chǎng)區(qū)地貌類型為溶蝕洼地及溶蝕殘丘相間地貌。工程區(qū)附近多由第四系地層覆蓋，基巖僅在周邊小山包處零星出露，出露地層主要為三疊系下統(tǒng)地層，其巖性特征由新至老為：（1）第四系覆蓋層，其中素填土層（Qml），由混凝土塊、碎石及紅黏土組成，結(jié)構(gòu)松散，平均厚度3.2m；殘積層（Qel）為紅黃、黃色紅黏土夾少量碎塊石，主要分布在洼地、溶槽及緩坡地帶，平均厚度7.3m。（2）基巖，三疊系下統(tǒng)大冶組一段（T1d），分布于整個(gè)場(chǎng)區(qū)，以淺灰色極薄至薄～中厚層泥晶灰?guī)r為主，厚134~190m。其中強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r內(nèi)溶蝕強(qiáng)烈，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體破碎，有溶蝕泥槽分布，鉆孔巖芯多呈碎塊狀；中風(fēng)化灰?guī)r中巖石組織結(jié)構(gòu)少部分破壞，礦物成分基本未變化，裂隙較發(fā)育，裂面主要由方解石及巖屑充填，少量泥質(zhì)，完整性較好，鉆孔巖芯呈柱狀、短柱狀及少量碎塊狀。2.2工程概況貴陽軌道交通地鐵2號(hào)線金朱西路站～誠信路站區(qū)間隧道穿越巖溶區(qū)，地質(zhì)比較復(fù)雜，位于市政道路下面，兩段區(qū)間因?yàn)楹笃谶\(yùn)營(yíng)功能所需，在隧道開挖施工期間大小斷面轉(zhuǎn)換施工多達(dá)11次，隧道施工大小斷面轉(zhuǎn)換期間的安全控制是本項(xiàng)目隧道施工的控制重點(diǎn)以及難點(diǎn)。如圖1(a)、(b)，YDK+930大里程方向?yàn)樾嗝?，斷面面積為38m2；YDK+930小里程方向?yàn)榇髷嗝妫瑪嗝婷娣e為129m2。從小斷面向大斷面方向圍巖溶蝕加劇，在轉(zhuǎn)入大斷面23m左右隧道穿越嚴(yán)重溶蝕地段。若采用常規(guī)逐漸外擴(kuò)擴(kuò)大斷面方法，采用臨時(shí)支護(hù)通過該段，將為施工安全和地表沉降控制帶來挑戰(zhàn)。針對(duì)這種地質(zhì)和工程條件，需要設(shè)計(jì)新的施工方法通過該段。(a)隧道轉(zhuǎn)換縱斷面圖(b)大小斷面轉(zhuǎn)換橫截面圖圖1大小斷面轉(zhuǎn)換3大小斷面轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)工法及計(jì)算3.1大小斷面轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)工法3.1.1設(shè)計(jì)原則(1)根據(jù)地質(zhì)條件設(shè)計(jì)施工方案，確保施工安全。小斷面轉(zhuǎn)大斷面的常用施工方法從小斷面外擴(kuò)“喇叭口”式逐漸增大開挖隧道斷面。前期地質(zhì)勘查表明在大斷面隧道約23m(YDK882)位置上部巖溶較為發(fā)育，巖體質(zhì)量差。若采用常規(guī)緩慢變徑外擴(kuò)法通過該段，外擴(kuò)過程中臨時(shí)支護(hù)的強(qiáng)度較低，難以確保安全施工和有效的變形沉降控制。(2)減少臨時(shí)支護(hù)和反擴(kuò)工作量。外擴(kuò)過程中的臨時(shí)支護(hù)將在反擴(kuò)過程中被拆除，造成材料的浪費(fèi)；同時(shí)反擴(kuò)過程施工組織復(fù)雜，比較耗時(shí)。因此應(yīng)該盡量減少外擴(kuò)過程和反擴(kuò)過程的工作量，盡量縮減外擴(kuò)斷面過渡段隧道長(zhǎng)度。3.1.2設(shè)計(jì)方案根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，改進(jìn)傳統(tǒng)漸變外擴(kuò)方法，設(shè)計(jì)短距外擴(kuò)接斷面突變法。短距外擴(kuò)接斷面突變施工工法分為2部分。首先從小斷面(S斷面)起逐漸外擴(kuò)至計(jì)算斷面(過渡斷面的最大尺寸)，這部分可應(yīng)用臺(tái)階法施工，上臺(tái)階和下臺(tái)階施工過程中逐漸增大斷面，仰拱暫不施工；在外擴(kuò)至計(jì)算斷面時(shí)(計(jì)算斷面的原則是斷面不大于同工程設(shè)計(jì)的臺(tái)階法施工最大斷面，同時(shí)施加臨時(shí)豎撐后，工作面滿足施工需要等要求)，施加臨時(shí)豎撐，加強(qiáng)加密待擴(kuò)邊墻部分超前注漿錨桿，隨后轉(zhuǎn)變工作面推進(jìn)方向，外擴(kuò)斷面為設(shè)計(jì)大斷面(如圖2(b))；之后大斷面按CD法進(jìn)行施工。(a)隧道轉(zhuǎn)換縱斷面圖(b)隧道從小到大斷面施工平面圖圖2小斷面轉(zhuǎn)大斷面施工設(shè)計(jì)方案3.1.3技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表1技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表序號(hào)項(xiàng)目傳統(tǒng)外擴(kuò)法短距外擴(kuò)接斷面突變法1方案簡(jiǎn)述按一定角度外擴(kuò)至大斷面按一定角度外擴(kuò)至計(jì)算斷面滿足側(cè)向工作面需求后，直接開挖側(cè)墻，突變斷面2工時(shí)80天65天3成本預(yù)算191.83萬元145.62萬元4機(jī)械/人工24萬20萬5安全性反擴(kuò)破除支護(hù)斷面大、風(fēng)險(xiǎn)高反擴(kuò)破除支護(hù)斷面小、風(fēng)險(xiǎn)低6沉降控制反擴(kuò)二次擾動(dòng)大、沉降大反擴(kuò)二次擾動(dòng)小、沉降小7施工要求超前注漿，控制收斂沉降超前注漿，控制收斂沉降8現(xiàn)場(chǎng)管理外擴(kuò)施工工期長(zhǎng)，管理要求高外擴(kuò)施工工期短，管理要求低3.2小斷面轉(zhuǎn)大斷面開挖過程數(shù)值計(jì)算為驗(yàn)證提出的短距外擴(kuò)接斷面突變法的安全性，綜合考慮地質(zhì)條件和工程特性建立三維數(shù)值計(jì)算模型，評(píng)價(jià)該方法通過巖溶發(fā)育地段的可行性。3.2.1巖土體基本物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)詳勘階段資料，對(duì)巖土材料強(qiáng)度和變形參數(shù)進(jìn)行和一定折減，數(shù)值計(jì)算中覆土層和巖石物理力學(xué)參數(shù)如表1。表1巖土材料物理力學(xué)參數(shù)土類別重度（kN/m3）內(nèi)摩擦角（°）內(nèi)聚力（kPa）壓縮模量（MPa）彈模(GPa)填土19.04105.0/溶洞充填16.5243.7/強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r26.2201/0.5中風(fēng)化灰?guī)r26.7303/4.03.2.2三維模型建立及初始狀態(tài)根據(jù)地質(zhì)勘查資料，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，考慮表層素填土，大斷面隧道中上部溶洞發(fā)育，以及強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化灰?guī)r不同材料的力學(xué)參數(shù)，建立數(shù)值計(jì)算模型如圖3(a)所示。對(duì)該模型進(jìn)行計(jì)算得到未開挖初始地應(yīng)力分布如圖3(b)。(a)三維幾何模型(b)三維初始地應(yīng)力圖3小斷面轉(zhuǎn)大斷面計(jì)算模型3.2.3開挖過程中圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)根據(jù)隧道實(shí)際開挖支護(hù)全過程開展數(shù)值模擬。在正掘過程先后開展①超前小導(dǎo)管注漿錨桿、②開挖隧道、③噴射混凝土、④鋼拱架支護(hù)、⑤系統(tǒng)錨桿支護(hù)；反掘過程在鋼拱架支護(hù)后還進(jìn)行加強(qiáng)初支混凝土支護(hù)(加厚初期噴射混凝土厚度)。其中超前注漿錨桿和噴射混凝土的支護(hù)作用采用超前錨桿單元及薄殼單元進(jìn)行模擬，系統(tǒng)錨桿按照設(shè)計(jì)密度和角度采用錨桿單元模擬，鋼拱架采用加強(qiáng)殼單元模擬。小斷面轉(zhuǎn)大斷面正挖及反挖全過程如圖4所示。圖4(a)、(b)分別為正掘過程中豎向應(yīng)力和位移分布，在設(shè)計(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)下，隧道圍巖內(nèi)最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在隧道兩側(cè)，壓應(yīng)力在1.5MPa以內(nèi)，隧道頂?shù)撞繃鷰r基本不出現(xiàn)拉應(yīng)力，豎向變形小于1mm，表明設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足要求。圖4(c)、(d)為反掘過程中的豎向應(yīng)力和位移分布，由于加強(qiáng)了初期混凝土支護(hù)，反掘過程中圍巖內(nèi)應(yīng)力集中和位移均較小。圖4(d)、(e)為正掘和反掘過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力圖，施工過程中錨桿應(yīng)力小于1MPa。以上計(jì)算結(jié)果表明，正掘和反掘過程中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)均處于穩(wěn)定狀態(tài)，即在正掘擴(kuò)面過程中，不施作二襯混凝土開挖過程仍能處于穩(wěn)定狀態(tài)。(a)正掘過程應(yīng)力分布(b)正掘過程中位移分布(c)反掘過程應(yīng)力(d)反掘過程位移分布(d)正掘過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)(e)反掘過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)圖4圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移狀態(tài)3.2.4開挖過程中地表沉降圖5為地表沿隧道軸線在23m處(巖溶發(fā)育分界點(diǎn))和25m處布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)豎向沉降隨開挖進(jìn)程的演化。其中前14回次為正掘過程，后續(xù)回次為反掘過程。隨著開挖面的推進(jìn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降位移逐漸增大，但位移總體控制在毫米級(jí)，與地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處于相同量級(jí)；在反掘階段，由于進(jìn)行加強(qiáng)混凝土初期支護(hù)，地表沉降速率顯著降低?？傮w上看，在正挖過程不進(jìn)行永久支護(hù)，地表位移仍能通過超前注漿、噴射混凝土和系統(tǒng)錨桿得到很好的控制。圖5開挖全過程地表沉降演化過程3.2.5傳統(tǒng)漸變外擴(kuò)法計(jì)算圖6為采用傳統(tǒng)外擴(kuò)方法漸進(jìn)外擴(kuò)，外擴(kuò)過程通過巖溶強(qiáng)發(fā)育段，外擴(kuò)過程采用臨時(shí)支護(hù)的模擬。模擬結(jié)果表明，采用常規(guī)的漸進(jìn)外擴(kuò)方法通過巖溶發(fā)育段，臨時(shí)支護(hù)的強(qiáng)度不足以控制地表變沉降。圖6外擴(kuò)至溶洞發(fā)育下部沉降不能控制4結(jié)論(1)考慮巖溶地區(qū)巖溶發(fā)育地質(zhì)條件，針對(duì)地鐵隧道小斷面轉(zhuǎn)大斷面工程，設(shè)計(jì)短距外擴(kuò)接斷面突變施工方法。相對(duì)于傳統(tǒng)漸擴(kuò)斷面法，該方法技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更優(yōu)，對(duì)巖溶地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性更強(qiáng)。(2)考慮施工全過程（超前注漿錨桿、開挖、噴射混凝土、鋼拱架支護(hù)、加強(qiáng)初期支護(hù)強(qiáng)度）建立三維模型對(duì)小斷面轉(zhuǎn)大斷面開挖擴(kuò)口工藝全過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果表明，即使在巖溶發(fā)育段，小斷面至大斷面擴(kuò)口過程不永久支護(hù)，在采用加強(qiáng)超前支護(hù)強(qiáng)度、錨桿支護(hù)質(zhì)量的條件下是安全經(jīng)濟(jì)的。參考文獻(xiàn)：[1]練志勇.突變大斷面地鐵隧道施工力學(xué)行為及地表沉降研究[D].西南交通大學(xué),2009.[2]劉瑞琪.城市巖溶區(qū)地鐵隧道的溶洞超