青岛地铁穿河隧道施工方案优化研究

2014-12-04 01:52王渭明曹正龙

长江科学院院报 2014年11期

王渭明，曹正龙，李强

（山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛 266590）

1 研究背景

当前城市地铁的建设已进入高速发展时期，2009年8月，《青岛市城市快速轨道交通建设规划》已获得国家批准。规划中的青岛地铁环海湾线区间隧道需穿越多条河流，地铁隧道上覆岩土体水压较大，甚至有较厚淤泥层的存在，隧道开挖改变了原有渗流条件，贸然揭示不良地质极易出现突水、突泥等事故［1］。目前关于隧道穿越河道施工技术多具有针对性，很难得到全面具体的理论指导。德国的H.Proetel［2］在20世纪50年代就对水下隧道的设计与施工进行了研究；王梦恕［3］根据水下交通隧道的特点，总结了几点水下隧道施工的关键技术；李奎等［4］对北京地铁5号线的过河区间隧道的4种超前支护方案进行对比分析，优化了穿河隧道施工技术。

上述研究对本文研究有重要指导意义，针对围岩条件较差、水压较大的隧道开挖，其有效方法就是“多分步、短进尺、快支撑”，虽控制了围岩变形，但步序复杂、施工速度慢，很难达到快速通过不良区段的目的。尤其当河道下方有砂土层以及黏性土层时，更应注意隧道开挖对上部围岩或覆土造成扰动。本文对青岛地铁2号线枣—李区间隧道穿越李村河段的施工方案进行了优化研究，得到优化后的施工方案，能保证隧道安全快速通过穿河区段。

2 工程概况

青岛地铁2号线枣山路站—李村站始于308国道西侧，根据勘探资料显示，区间隧道YSK47+790至YSK47+870段下穿李村河，地下水动态基本处于自然状态。李村河发源于崂山，自东向西流入胶州湾，水量受降水制约，季节性变化较明显，地下水位年变化幅度约2 m。河宽38 m，经治理，部分河床硬化，剩余部分留作河道。区间隧道与李村河的地理位置及地质情况如图1所示。

图1 区间隧道位置及地层示意图Fig.1 Details of tunnel location and stratum

由图1中显示，在李村河道下方，有粗砾砂层和砂土层，透水性较好，隧道掘进过程中贸然揭示含水层极易造成地下水流动，地表沉陷。该段隧道坡度2.87%，位于强风化岩与中风化岩交接处。强风化岩上方是渗透性较差的含砂粉质黏土层，可作为天然隔水层，能够阻断上部河水大量流入新开挖的隧道。

3 方案选取

从施工速度和对地面的影响分析，采用TBM法施工较为合理，但是TBM施工造价太高，且对多变的地质条件适应性较差［5］。故穿越李村河段区间隧道仍采用矿山法中最普通的台阶法施工，预留核心土，复合式衬砌结构，单洞单线马蹄形断面，全包防水。由于拱顶以上为强风化花岗岩，自稳性较差，难于形成自然拱。洞顶上方有厚砂土层，应严格控制开挖影响区发展，防止其穿过强风化岩层进入含砂粉质黏土层，破坏其天然的隔水作用，故应严格控制爆破药量，禁止超挖，防止扰动上部粉质黏土层产生液化现象。不可在隧道上方打设超长锚杆或锚索，防止锚孔穿入滞水层，引起地下水流动。由于隧道位于河道下方，水压较大，地下水渗流会引起强风化岩破碎带的崩解，可在隧道周围施作注浆圈控制水压，以减少隧道的涌水量［6］。

支护方案采用超前小导管注浆，初期支护用格栅拱架结合挂网喷砼支护，拱脚打设Φ42 mm锁脚锚管。二次衬砌采用自防水的C45钢筋混凝土300 mm。采取光面微差弱抛爆破，并选用防水效果好的乳化炸药。其断面尺寸及衬砌结构如图2，底板衬砌中间有70 mm素混凝土配合防水保护层。

图2 隧道断面衬砌结构图Fig.2 Tunnel size and its lining structure

由于施工选在雨水量较少的春季，未对李村河采取截水措施，根据该处地质条件及现场机械设备，拟定最短时间内取得最大安全进尺，保证安全快速通过该段。超前小导管注浆后，进行爆破进尺并及时进行初支，循环进尺一段距离后做二次衬砌，其施工进度如图3所示。

图3 隧道施工步骤图Fig.3 Steps of tunnel constr uction

根据《铁路隧道安全施工技术规范》中的规定：一次开挖循环不超过1.5 m［7］。考虑到施工机械的限制和爆破振动影响，从安全和施工速度2方面对循环进尺量和上下台阶长度选取不同参数，初步形成5种进尺和支护方案。

方案1：每循环进尺0.5 m，6个循环做一次二次衬砌，a＝15 m，b＝10 m；

方案2：每循环进尺0.5 m，6个循环做一次二次衬砌，a＝8 m，b＝8 m；

方案3：每循环进尺1 m，3个循环做一次二次衬砌，a＝8 m，b＝8 m；

方案4：每循环进尺1 m，6个循环做一次二次衬砌，a＝10 m，b＝8 m；

方案5：每循环进尺1.5 m，4个循环做一次二次衬砌，a＝10 m，b＝8 m。

4 各方案的数值模拟分析

如图1中所显示，隧道位于强风化花岗岩中，透水性较好，但风化带上方有一层粉质黏土层，可作为天然的隔水层，地下水竖向渗流较慢，为隧道开挖提供了保障，减小了衬砌外水压。新近地质时期形成的黏性土灵敏度较高，一旦微结构被破坏，其强度明显降低，超空隙水压力消散，地下水发生竖向流动。因此隧道开挖不能影响上部粉质黏土层的天然隔水作用，否则易引起隧道突水、突泥事故，威胁工程安全。

为掌握下穿隧道上覆岩层变形和塑性区发展规律，控制塑性区的发展范围，保护隔水层的隔水效果，为安全施工提供技术指导，对5种方案进行了数值模拟分析。本工程的2条隧道中心线间距13.5 m，对称截取左半边为数值分析模型，其边界各取约3倍洞径长度，沿轴线长53 m。对称面上设为竖向约束，衬砌为不透水弹塑性结构，在台阶上施加5 k Pa的均布荷载，数值分析网格如图4所示。计算中所用到的隧道围岩及衬砌基本物理力学参数列于表1中。

图4 数值模拟网格Fig.4 Grids of numerical si mulation

地下工程的开挖注重时空效应，既要释放部分应力，又要控制住变形［8］。单次进尺量及循环次数不同，则围岩暴露时间不同，围岩变形及应力释放的比例不同。通过对上述5种方案的数值分析，针对该段地质条件，选取合适的进尺量及有利的台阶长度，5种方案的围岩总变形云图如图5所示。云图中隧道上方的横线为不同土层的分割线，即图4中不同颜色的分界线。由图5可见，各方案拱顶围岩沉降呈抛物线形，最大沉降值发生在拱顶正上方。图中显示围岩变形向右侧对称面发展，叠合右侧隧道的开挖，会进一步增加变形量，故两条隧道前后间隔30 m施工有利于增加围岩稳定性。

图5中显示底板变形左右对称，由于底板位于中风化岩层中，相对顶板变形较小。隧道两帮由于上台阶开挖后施工锁脚锚杆作用，洞周收敛得到了很好的控制，由于在上台阶开挖时预留核心土，减少了隧洞拱脚及两帮处围岩变形［9］。

为判断隧道开挖变形是否超过预警值，将关键位置最大变形量列于表2中。

表1 土（岩）层及衬砌物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of the soil（rock）and liner

图5 各方案沉降变形云图Fig.5 Nephogram of displacement in each scheme

表2 各方案关键位置变形Table 2 Defor mations in key positions of each scheme mm

由前2种方案的沉降曲线对比发现，相同的循环进尺，台阶长度越长，二次衬砌落后掌子面越远，沉降、底鼓越大。方案1比方案2的拱顶沉降值高24%；底板隆起值高38%。开挖未支护的临空段越长，则顶板和底板受力结构的挠度越大。故应尽量减小台阶长度，但台阶太短会造成施工空间不足，周转不便，影响整体速度。且短台阶在软弱地层中由于上部破裂面可能会与下台阶开挖引起的破裂面贯通，引起开挖隧道的工作面失稳［10］。

由前3种方案的对比，同样进尺3 m做一次二次衬砌，但方案3减少循环步，开挖速度较快，能更及时的封闭衬砌结构，故而产生的变形量并未因单次进尺量的增加而引起较大的围岩变形，甚至方案1的底鼓量超过方案3。由此也得出及时封闭衬砌能控制围岩变形，仅通过前期支护很难让围岩变形进入收敛阶段［11］。

通过方案3、方案4的围岩变形对比，相同的单次进尺量，不同的循环次数，引起的位移量不同也是因为衬砌封闭时间不同，围岩变形进入收敛段产生的位移量不同。但是由于循环次数的不同，方案4的施工速度会增加，并且节约了工作量。

表2中数据显示第5种方案的拱顶沉降值超过报警值的90%，底板隆起量超过报警值的73%，且一次性进尺1.5 m造成的爆破振动较大，可能扰动上部黏性土层［12］，故从安全方面考虑排除此方案。如采取此种进尺方案，须改变支护方式，可采用超前管棚支护或加设锚杆，但同时却延缓了施工进度，增加了工程量。

挤出位移为掌子面挤向洞内方向的水平位移，根据5种方案的挤出位移量可以看出，掌子面挤向洞内位移随着单次爆破量的增加而增大，如图6所示，单次爆破越深，其开挖未支护的临空面越大，塑性区越大，由于应力释放较大，造成的挤出位移也越大。

图6 方案1、方案3、方案5挤出位移云图Fig.6 Nephogram of extrusion displacement in scheme 1，3，5

为更直观地看出每一开挖步造成的拱顶沉降量，将5种不同方案施工造成隧道拱顶沉降随施工步的变化曲线列于图7中。

由图7看出，方案4、方案5进尺6 m以后施做二次衬砌，拱顶沉降明显大于前3种方案，不仅是因为空间上形成较大临空面，还与支护落后时间有一定关系。拱顶沉降基本都是在支护前完成的，当支护结构施作完成后，拱顶变形趋于稳定，由于下一步的开挖又造成了新的位移，二次衬砌后，围岩变形逐步趋于稳定。

综上所述，第4种施工方案较为合理，既能将围岩变形控制在预警值内，又有较快的进尺速度。现考察各方案的隔水层封水效果，分析其开挖引起的塑性区发展范围，如图8所示。

图7 各方案拱顶沉降曲线Fig.7 Curves of arch top subsidence in each scheme

图8 各方案开挖引起的塑性区Fig.8 Plastic zone caused by excavation in each scheme

从图8中可以看出，5种方案施工引起的塑性区发展均未超过风化岩的顶部，意味着隧道开挖对含砂粉质黏土层的扰动较小，隧道开挖不会破坏隔水层。从图8中还可以看出方案5施工的隧洞周围已经出现了明显的松动区，一次性进尺1.5 m，支护不及时，造成围岩释放压力较多，不利于隧道围岩稳定，因此方案5不予采用。方案4开挖引起的松动区较小，开挖后及时进行支护，保证围岩压力得到释放，又控制变形在预警值内，塑性区距离粉质黏土层1 m左右。

考虑到方案4施工有一定的安全储备，通过和方案5的对比，单次循环进尺量不可更改。为利于施工机械运转调动方便，可适当增加台阶长度。故在方案4的基础上取上台阶长度a分别为12，14，16 m，得到的拱顶沉降值、两帮收敛值以及底板隆起值如表3所示。

表3 方案4中不同台阶长度引起变形量Table 3 Def or mations caused by different step-lengths in scheme 4 mm

从表3中可以看出，随着台阶长度的增加，围岩变形量也相应增加。当上台阶长度a＝16 m时，两帮收敛和底板隆起明显增大，而拱顶沉降已经超过预警值，极有可能破坏上部粉质黏土层的隔水作用。从塑性区发展察看隔水层的封水效果，将3种台阶长度施工时引起的塑性区列于图9中。

图9 方案4中不同台阶长度下的塑性区Fig.9 Nephogram of plastic zone in the presence of different step-lengths in scheme 4

从图9中看出，每循环进尺1 m，6个循环做一次二次衬砌，当上台阶长度a＝14 m时，开挖引起的塑性区接近粉质黏土层，当a＝16 m时，围岩变形值较大，洞周松动区明显增大，塑性区穿过粉质黏土层向滞水层发展，当粉质黏土进入塑性状态，极有可能破坏其承压结构，引起砂层中的地下水流入隧道中，增大衬砌水压和透水量［13］，造成较大围岩变形和施工困难，甚至引起工程事故。

5 结语

（1）针对青岛地铁下穿李村河工程段选定优化施工方案应为：每循环进尺1 m，6个循环做一次衬砌，上台阶长度不超过14 m，下台阶长度为8 m。既能将围岩变形控制在报警值内，塑性区发展较小，且施工进度快，节约了工程量。

（2）不同的台阶长度和循环进尺量对围岩变形有较大影响。利用台阶法施工达到安全快速的目的，循环进尺量和台阶长度须取一个合理值。①增大单次进尺量可加快施工进度，同时增大了围岩变形；②增大台阶长度利于机械运转调动速度，同时增大了围岩塑性区和松动区范围，不利于围岩稳定。（3）当隧道穿越河道或地下水位较高，且有黏性土层等作为承压水层时，开挖过程中需重点控制隧道开挖对隔水层的影响，约束塑性区发展，在确保天然隔水效果的前提下，提高施工速度，确保隧道安全、快速完成。

［1］石钰锋，阳军生，邵华平，等.超浅覆大断面暗挖隧道下穿富水河道施工风险分析及控制研究［J］.岩土力学，2012，33（增 2）：229-234.（SHI Yu-feng，YANG Jun-sheng，SHAO Hua-ping，et al.Risk A-nalysis and Control of Super-shallow Tunnel with Lar ge Cross-section under Water-rich Channel［J］.Rock and Soil Mechanics，2012，33（Sup.2）：229-234.（in Chinese））

［2］PROETEL H.水下隧道的设计与施工［M］.韩布葛，李学海，译.北京：科学技术出版社，1958.（PROETEL H.Design and Construction of the Under water Tunnel［M］.Translated by GE Bu-ge，LI Xue-hai.Beijing：Science and Technology Press，1958.（in Chinese））

［3］王梦恕.水下交通隧道发展现状与技术难题——兼论“台湾海峡海底铁路隧道建设方案”［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（11）：2161-2172.（WANG Mengshu.Current Develop ments and Technical Issues of Under water Traffic Tunnel-discussion on Constr uction Scheme of Tai wan Strait Undersea Rail way Tunnel［J］.Chinese Jour nal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（11）：2161-2172.（in Chinese））

［4］李奎，高波.地铁隧道下穿小河和桥梁的施工方案研究［J］.岩土力学，2010，31（5）：1509-1516.（LI Kui，GAO Bo.Study of Construction Schemes for Metro Tunnel Crossing River and Bridge［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31（5）：1509-1516.（in Chinese））

［5］唐志强.青岛地铁隧道施工采用TBM工法分析［J］.铁道标准设计，2013，（5）：90-93.（TANG Zhi-qiang.Analysis on TBM Constr uction Method Used for Qingdao Metro Tunnel［J］.Rail way Standar d Design，2013，（5）：90-93.（in Chinese））

［6］华福才.FLAC3D在青岛地铁渗流场中的应用［J］.岩土力学，2013，34（1）：299-304.（HUA Fu-cai.Application of FLAC3Dto Seepage Field of Qingdao Metro［J］.Rock and Soil Mechanics，2013，34（1）：299-304.（in Chinese））

［7］TB10304—2009，铁路隧道工程施工安全技术规程［S］.北京：中国铁道出版社，2009.（TB10304—2009.Safety Constr uction Regulations for Rail way Engineering［S］.Beijing China Rail way Press，2009.（in Chinese））

［8］李利平，李术才，赵勇，等.超大断面隧道软弱破碎围岩空间变形机制与荷载释放演化规律［J］.岩石力学与工程学报，2012，31（10）：2109-2118.（LI Liping，LI Shu-cai，ZHAO Yong，et al.Spatial Defor mation Mechanis m and Load Release Evolution Law of Surrounding Rock during Construction of Super-Large Section Tunnel wit h Soft Broken Surrounding Rock Masses［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31（10）：2109-2118.（in Chinese））

［9］皇甫明，孔恒，王梦恕，等.核心土留设对隧道工作面稳定性的影响［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（3）：521-525.（HUANG Fu-ming，KONG Heng，WANG Meng-shu，et al.Effect of Keeping Core Soil on Stability of Tunnel Working Face［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（3）：521-525.（in Chinese））

［10］王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论［M］.合肥：安徽教育出版社，2004.（WANG Meng-shu.General Theory of Shallow Excavation Technology for Underground Works［M］.Hefei：Anhui Education Press，2004.（in Chinese））

［11］王磊，王渭明.基于各向异性弹塑性模型的软岩巷道变形研究［J］.长江科学院院报，2012，（8）：12-16.（WANG Lei，WANG Wei-ming.Analysis of Soft Rock Road way Defor mation Based on Anisotropic Elasto-plastic Constitutive Model［J］.Jour nal of Yangtze River Scientific Research Institute，2012，（8）：12-16.（in Chinese））

［12］张美静，万力，王芳，等.隔水边界附近围岩渗透性变化时隧道涌水的渗流模型［J］.长江科学院院报，2008，（5）：75-78.（ZHANG Mei-jing，WAN Li，WANG Fang，et al.Seepage Model f or Tunnel Water Inflow near Non-flow Boundary in Rock Aquifer with Changing Per meability in Depth［J］.Jour nal of Yangtze River Scientific Research Institute，2008，（5）：75-78.（in Chinese））