相邻并行小净距大断面隧道施工顺序研究.pdf

——文章编号：１００９４５３９（２０１７）０３～００１７０５・科技研究・相邻并行小净距大断面隧道施工顺序研究尹成虎（中铁十七局集团第一工程有限公司山西太原０３００３２）摘要：地铁现已成为大中型城市改善交通状况的主要方式之一，因地铁各条线间存在互联互通的需求，从而不可避免地就存在联络线、渡线、停车线，渡线段因其断面结构的特殊，多采用暗挖法施工。本文以石家庄地铁１号线中山广场站一解放广场站区间暗挖配线为背景，了解在不同的施工阶段围岩应力、支护结构内力的变化情况，特别是两隧洞并行和三隧洞并行的断面，研究并行隧道的开挖顺序对围岩扰动的影响，分别对不同开挖顺序情况下不同典型断面的围岩应力、支护结构内力值，以及隧道开挖后可能的位移和塑性区进行了数值模拟，计算不同开挖方案对土层位移的影响，并进行现场实验验证，对施工顺序及工序进行了优化，大大节约了工期。关键词：小净距大断面渡线段隧道施工顺序中图分类号：Ｕ４５５．４文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９．４５３９．２０１７．０３．００５ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＯｒｄｅｒｏｆＡｄｊａｃｅｎｔＰａｒａｌｌｅｌＴｕｎｎｅｌｗｉｔｈＳｍａｌｌＣｌｅａｒＤｉｓｔａｎｃｅａｎｄＢｉｇＣｒｏｓｓＳｅｃｔｉｏｎＹｉｎＣｈｅｎｇｈｕ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ“１７ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐ“１ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，ＴａｉｙｕａｎＳｈａｎｘｉ０３００３２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｅｔｒｏｈａｓｂｅｃｏｍｅｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｍｅｔｈｏｄｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｒａｆｆｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎｌａｒｇｅａｎｄ—ｍｅｄｉｕｍｓｉｚｅｄｃｉｔｉｅｓ．Ｓｉｎｃｅｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｕｂｗａｙｓｌｉｎｅｓ，ｔｈｅｒｅａｒｅｉｎｅｖｉｔａｂｌｙｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｌｉｎｅ，ｃｒｏｓｓｉｎｇｌｉｎｅａｎｄｐａｒｋｉｎｇｌｉｎｅ．Ｕｎｄｅｒｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｕａｌｌｙｕｓｅｄｉｎ—ｃｒｏｓｓｏｖｅｒｓｅｃｔｉｏｎｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｓｐｅｃｉａｌｓｅｃｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｏｏｋｔｈｅｕｎ・ｄｅｒｇｒｏｕｎｄｗｉｒｉｎｇｉｎｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆＺｈｏｎｇｓｈａｎＳｑｕａｒｅ—ＳｔａｔｉｏｎＬｉｂｅｒａｔｉｏｎＳｑｕａｒｅＳｔａｔｉｏｎｏｆＳｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇＭｅｔｒｏＬｉｎｅ１ａｓｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓｔｒｅｓｓａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌｆｏｒｃｅｏｆｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔ—ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｈａｓｅ，ａｎｄｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｏｆｐａｒａｌｌｅｌｔｕｎｎｅｌｏｎｔｈｅｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎｔｈｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｓｏｆｔｗｏｏｒｔｈｒｅｅｐａｒａＨｅｌｔｕｎｎｅｌｓ．Ｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓｔｒｅｓｓａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌｆｏｒｃｅｖａｌｕｅｏｆ—ｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｉｃａｌｓｅｃｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅ，ａｎｄｔｈｅｐｏｓｓｉｂｌｅｄｉｓｌ～ｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｐｌａｓｔｉｃｚｏｎｅａｆｔｅｒｔｕｎｎｅｌｅｘｃａｖａｔｉｏｎｗｅｒｅｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｓｉｍｕｌａｔｅｄ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｓｏｎｓｏｉｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ａｎｄ—０ｎｓｉｔｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．ＴｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅａｎｄｐｒｏｃｅｓｓＷｅｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｇｒｅａｔｌｙｓａｖｅｔｈｅｔｉｍｅｌｉｍｉｔｆｏｒｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｍａｌｌｃｌｅａｒｄｉｓｔａｎｃｅ；ｂｉｇＣＲＯＳＳ—ｓｅｃｔｉｏｎ；ｃｒｏｓｓｏｖｅｒｓｅｇｍｅｎｔ；ｔｕｎｎｅｌ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅ１引言目前国内外虽然施工了大量渡线隧道，但从资料查阅来看，大多是对隧道本身施工工艺的研究，对小净距非等跨大断面并行隧道施工顺序，没有系统的研究过。小净距隧道洞体问互相影响较大，如收稿日期：２０１７一Ｏｌ一０３基金项目：中铁十七局集团有限公司科技研究开发计划项目（２０１３－７３）作者简介：尹成虎（１９７５一），高级工程师，主要从事建筑与土木工程技术研究。何保证安全是隧道设计与施工的关键。李维¨１认为在大小断面并行施工的隧道，先施工大断面较安全，因为大断面隧道断面大，在没有扰动的土体中开挖，相对安全；同时利用大断面隧道可以预先加固小断面隧道，使小隧道的开挖也相对安全。朱汉华旧。认为先开挖小断面隧道更安全，因为大小断面并行隧道，整体可近似成一个超大断面隧道，小隧道仅是这个超大断面的一个小导洞，与大断面的导洞开挖相似，且在其衬砌支护完成后，形成一个完铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０３）１７万方数据・科技研究・整的受力结构，相对安全；若先开挖大断面，则会对小导洞上方土体扰动，使开挖小隧道不够安全。针对以上两种不同观点，本文结合实际工程，∞拟选用王小林ｏ针对该地铁隧道不同施工顺序采用二维动态有限元数值模拟，通过分析施工引起的拱顶沉降、拱腰收敛、地表变形、衬砌内力和中间土体应力特征及规律，得出大小断面地铁隧道先后施工相互影响的规律性。２施工方法２．１工程背景石家庄轨道交通ｌ号线中山广场站～解放广场站区间配线全长３７７．６ｍ，为左右线分离式双洞并行暗挖隧道，其中１＃井施工区有三洞并行隧道，平面如图１所示。隧道左右线间土体最小厚度０．５ｍ。断面有Ａ～Ｊ断面共１０种类型，各断面之间转换频繁。—覆土厚度约６１０ｍ，主要穿越粉细砂层，拱顶大部分位于砂层。由于该隧道设有１、３号线间联络线、左右线交叉渡线及停车线，隧道断面变化频繁，不宜采用盾构法进行施工，采用矿山法暗挖施工。图１隧道施工区平面图２．２大小断面并行隧道开挖顺序研究本工程隧道均为大小洞并行的隧道，以其中Ｉ断面和Ａ断面之间的间距最小为例，以该断面为研究对象，采用亓长君Ｈ１施工方案，通过模拟大小洞不同开挖顺序对地面沉降的影响，优化施工工艺，最大程度减小对土体的扰动。其网络模型如图２所示。（１）先开挖小洞，后开挖大洞，位移特征如图３所示。小断面拱顶最大沉降量为８．３３ｃｍ。大断面拱顶最大沉降量为８．９８ｃｍ。路面最大沉降量为８．＂／３ｏｍ。（２）先开挖大洞，后开挖小洞，位移特征如图４所示。图２网络模型图３竖向位移云图图４位移特征小断面拱顶最大沉降量为５．８５ｃｍ。大断面扦挖，开挖时先扦挖远离小洞侧的导洞。开挖后的拱顶最大沉降量为９．３２ｃｍ。路面最大沉降量为监控量测结果表明，小洞地表沉降值为１０ｍｍ，大洞８．０１ｃｍ。理论分析：通过位移特征分析，先开挖地表沉降值为一９ｍｍ。小洞，小洞顶沉降量比先开挖大洞大；先开挖大从施工监测结果来看，小洞不论是先挖还是后洞，大洞顶沉降量比先开挖小洞大。主要是由于挖，开挖后通过径向二次注浆，基本比原地表略有先开挖的洞室对中间土柱注浆加固影响的。对地抬高。主要原因是地表覆盖层较薄，覆土自重小，面沉降而言，先挖小洞比先挖大洞大０．＂／２ｃｍ，先形成的拱效应弱，径向注浆压力可直接作用到地挖小洞对土层的影响稍大，只要保证中间土体注表，且小断面隧道开挖工序简单，施工对拱顶扰动浆效果良好，两种方案对土体的扰动差别可忽略。次数少，故小断面隧道沉降控制良好。大断面隧道为了验证模拟理论情况，施工中，采取了先施工右不论是先挖还是后挖，地表沉降总体是增大趋势。线大洞Ｉ断面，后施工与其并行的左线小洞Ａ断主要原因是大断面开挖导洞多，每一步开挖都对拱面的方法，左线小洞在右线大洞衬砌后进行开挖。顶沉降造成一定的影响，从而造成大断面隧道总体开挖后经过监测，小洞地表沉降值为１１．５ｍｍ，大是沉降均势。从两个试验段开挖顺序来看，大小洞洞地表沉降值为一１４ｍｍ。开挖顺序对地表沉降影响情况类似，区别不大，在采取了先施工左线小洞Ａ断面，后施工右线大后续施工中，小断面隧道拱部注浆要适当控制注浆洞Ｉ断面的方法，右线大洞在左线小洞衬砌后进行压力，避免地表隆起过大；而对大断面隧道，除做好１８铁道建筘技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣ丁『ＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７＾粥Ｊ霹一鬈翻万方数据・科技研究－超前注浆加固外，在开挖过程中尽量缩短闭合时间，降低各导洞施工时对地表沉降的影响ｂ］。２．３三洞并行隧道开挖顺序研究１＃竖井向西小里程方向为三洞并行的隧道，为了研究不同的开挖顺序对土体扰动的影响，可按甘∞洪安１和曹树强¨１的作法，分别采用了先开挖两侧洞室和先开挖中间洞室两种方案进行数值模拟，通过对土体竖向位移的比较，得出最合理的施工方案。其网络模型如图５所示。图５网络模型先开挖两侧，右侧断面拱顶最大沉降量为６．７７ｃｍ。左侧断面拱顶最大沉降量为２．９４ｃｍ，中问断面拱顶最大沉降量为５．５２ｃｍ，路面最大沉降量为６．１３ｃｍ。先开挖中间，右侧断面拱顶最大沉降量为５．９６ｃｍ。左侧断面拱顶最大沉降量为２．９０ｅｍ，中间断面拱顶最大沉降量为４．７７ｃｍ，路面最大沉降量为５．１７ｃｍ。比较分析：从结果可以看出方案２各项沉降数据略小于方案１，但差别不大。从工期角度考虑，左右侧隧道在关键线路上，对工期的影响更大，故实际开挖时，先开挖两侧洞，同时通过两侧隧道向中间隧道问土体进行注浆加固，待两边隧道二衬完成后再施作中间隧道，有效地保证了关键工序的工期进度，如图６所示。图６中间隧道加固示意实际施工后的现场监测情况：对于三洞并行断面，先开挖两侧洞室并在衬砌完成后再进行中间洞开挖，监测数据显示右侧断面拱顶最大沉降量为铁道建篱技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２．２６ｃｍ。左侧断面拱顶最大沉降量为０．９１ｃｍ，中间断面拱顶最大沉降量为１．８７ｃｍ，路面最大沉降量为４．６５ｃｍ。与理论分析相比，此开挖顺序有利于控制沉降量。２．４双侧壁导坑施工步序优化研究大部分区间段为Ａ型断面和Ｅ型断面的平行洞室，Ａ型断面采用台阶式开挖，Ｅ型断面采用李凌宜【８ｏ双侧壁六步法开挖，为了优化开挖步序，采用了两种开挖步序方案进行数值模拟，通过计算两种方案对土体的扰动程度，对双侧壁导坑的开挖步序进行优化。双侧壁六导洞与Ａ断面并行断面如图７所示。产案装！；ｌ喾学，竖塑坚！整煎：！：兰霉竽寨凳！；ｉ；；学厂豫瓦聂琢五面一．竖塑坚！整煎：！：兰置ｆ豢翥袁秉ｊ运产髓剀纛望堕翌圭茎塑堂堕堑（区间初支外皮线）图７双侧壁与小断面开挖步序网络模型如图８所示。图８网络模型（１）开挖步序方案如图９所示时，小断面拱顶最大沉降量为７．１７ｃｍ，大断面拱顶最大沉降量为８．＇７１ｃｍ。路面最大沉降量为７．９８ｃｍ。２０１７ｆＤ３Ｊ图９小洞远侧导洞先开挖选糍章万方数据・科技研究・大小断面并行隧道：通过位移特征分析开挖大固犁譬，开篓磬譬措粤翌篝，兰譬擘磐良好的效果。洞或小洞影响不大，为验证大小洞开挖顺序对地面为类似工程的施工工艺优化提供参考。≥篓矍：要篓要竺娑４篓量茎矍，大兰兰要？坚擘兰配线区间断面错综复杂，为了确实保证施工的孥翌警表塑鬯影哼差别虿夺。．享堡施孑时，要，圭予安全：磊芋蒜羞菜高高磊芏薪蠡苗喜矗另、蔓护磊考虑施工组织。本工程考虑到小断面施工．进度快，福内另的变化情磊，特别是两隧菊并行和三隧洞并且可采用衬砌台车同步衬砌，为同时开展多个作业行的断面，为了研究并行隧洞的开挖顺序对围岩扰面，实际施工时采用小断面隧道先行，在小断面隧动的影响，分别对不同的开挖顺序的不同典型断面道衬砌后，大断面隧道同步跟上施工，实现大小断的围岩应力、支护结构内力值，以及隧道开挖后可面同步并行施工，有力地保证了工期进度。如若先能的位移和塑性区进行了数值模拟，计算不同开挖施工大断面隧道，因大断面隧道在施工过程中，无方案对土层位移的影响，并进行现场实验验证。通法进行衬砌施工，只有在全部完成开挖后才可进行过采用仿真模拟计算和现场施工监测ｍ］，研究分析二次衬砌，等大断面二衬完成后再施工小断面，必了并行不同断面、不同开挖工况力学行为和地表沉然会造成工期的增加，增加工程费用。降规律，优化了施工工序，方便了施工、确保了施工三洞并行隧道：根据围岩应力分析，考虑施工安全并加快了施工进度。能多开工作面，通过分析和现场实践，先开挖两侧参考文献万方数据・科技研究・—筑技术，２０１６（３）：６９．［７］曹树强．三线大跨铁路隧道四台阶九步开挖法施工技［２］朱汉华，赵宇，尚岳全．地下工程平衡稳定理论［Ｊ］．地—术研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（９）：１４．—下空间与工程学报，２０１１，７（２）：３１７３２１．［８］李凌宜，董亥兴，阳文华，等．六步双侧壁导坑施工步［３］王小林，张亮，李冀伟，等．断面非对称小净距黄土地—序优化分析［Ｊ］．施工技术，２０１５（１９）：１１３１１６．铁隧道施ＩＪｒＰ，序模拟对比研究［Ｊ］．城市轨道交通研［９］高峰，谭绪凯．双侧壁导坑法施工的大断面隧道的稳定性—究，２０１５，１８（９）：１００１０５．—分析［Ｊ］．重庆交通大学学报，２０１０，２９（３）：３６３３６６．［４］亓长君．复杂地质条件下大跨径地铁浅埋暗挖隧道双侧［１０］郝小苏．龙头山八车道公路隧道双侧壁导坑法施工—壁导坑法施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（３）：１０１３．—［Ｊ］．铁道标准设计，２００７（Ｓ２）：９６９９．［５］李宁．大断面隧道超前预加固及开挖支护过程数值模［１１］曹忠明．隧道塌方段管棚与预注浆施工技术［Ｊ］．公路拟研究［Ｄ］．北京：北京交通大学，２０１４．—交通科技，２００８（６）：１５４１５７．［６］甘洪安．铁路复线三线隧道双侧壁导洞法施工技术［１２］吴红．大连地铁隧道施工动态监测与数值模拟［Ｊ］．中—［Ｊ］．现代隧道技术，２０１３，５０（２）：１５１１５７．—国水运，２０１１（２）：２０８２１０．—”—“——“—””“…・＋一卜＋＿一。＋＿＋一一＋＋・・＋一＋一＋一＋・・＋一＋－・＋・・＋＋・－＋一－＋－一－＋－一＋一＋一－＋－一－＋－・・＋．－＋．．＋一＋・－．＋一－＋・．＋一＋・．＋＋・・＋－＋－－＋－一－＋－－・＋・・＋一＋・・＋・・＋・・－＋－・・＋一＋－・＋－（上接第１３页）参考文献一图４栏片外观（６）耐碱玻纤可以与混凝土形成较好的整体效果，证明其稳定性和适应性较强；耐碱玻纤的分散效果较好，拌和物中不存在结团成块的现象，而聚丙烯腈纤维混凝土中存在较多可见结团现象。虽然耐碱玻纤有诸多有点，但是，相比聚丙烯腈单位掺量较大，成本较高。６结束语（１）试验及实践证明高氧化锆耐碱玻璃纤维与混凝土具有较强的适应性。相比聚丙烯腈纤维可以提高混凝土抗压及抗劈裂强度。（２）耐碱玻璃纤维混凝土的耐久性能也好于聚丙烯腈纤维，并能满足设计规范要求。（３）试验选定了最佳纤维组合方案，并建立了耐碱玻璃纤维混凝土施工工艺相关参数。（４）理论和实践的结合为石济铁路的建设和创新提供了宝贵的技术支持和经验。铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ［１］王海超，张玲玲，高淑玲，等．ＰＶＡ纤维对超高韧性纤维增强水泥基复合材料力学性能的影响［Ｊ］．混凝土，—２０１３，２８２（４）：４７．［２］项影明．耐碱玻璃纤维在混凝土中的长期增强效应研—究［Ｄ］．大连：大连交通大学，２００９，１３１６．［３］刘小东．洞内始发盾构区间工程玻璃纤维筋施工技术—［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（７）：３６３７．［４］李明华．玻璃纤维锚杆预加固技术在隧道中的应用研—究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（３）：２３２５．［５］杨海明，张振义，宋学明，等．聚丙烯纤维在混凝土中—的应用及存在问题［Ｊ］．浙江建筑，２００７，２４（２）：３７．［６］王禄超，盛松涛．聚丙烯纤维混凝土及其有关问题探—讨［Ｊ］．四川建筑科学研究，２００６，３２（１）：１３１１３３．［７］邓宗才，薛会青．耐碱玻璃纤维混凝土的抗弯冲击性—能研究［Ｊ］．公路，２００７（１２）：２８５２８７．［８］李晓明，赵晶，宋学富，等．耐碱玻璃纤维在道路混凝—土中的应用研究［Ｊ］．新型建筑材料，２００４（１）：８１１．［９］ＭｅｔｈａＰＫ．混凝土的结构性能与材料［Ｍ］．上海：同济—大学出版社，１９９１：８１０．［１０］Ｍａｒｉｋｕｎｔｅｓ，Ａｌｄｅａ“Ｃ，ｓｈＳ．Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｏｆｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎ－ｆｏｒｃｅｄｃｅｍｅｎｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅ：ｅｆｆｅｃｔｏｆｓｉｌｉｃａｆｕｍｅａｎｄｍｅｔａｋａｏｈｎ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｄＣｅｍｅｎｔＢａｓｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，１９９７（５）：５－８．［１１］ＺｈａｎｇＹ，ＳｕｎＷ，ＳｈａｎｇＬ，ｅｔａ１．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｈｉｇｈｃｏｎｔｅｎｔｏｆｆｌｙａｓｈｏｎｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ—ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＣｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｃｒｅｔｅ—Ｒｅ—ｓｅａｒｃｈ，１９９７，２７（１２）：２７．［１２］贾哲，姜波，程光旭，等．纤维增强水泥基复合材料研—究进展［Ｊ］．混凝土，２００７（８）：６５６８．２０１７１０３）２１万方数据