圍巖地鐵開挖工法探討范文

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《重慶建筑雜志》2014年第八期

1雙側(cè)壁導(dǎo)坑法存在的問題

1.1雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的特點(diǎn)及適用范圍雙側(cè)壁導(dǎo)坑法作為“新奧法”的一個(gè)分支，是一項(xiàng)邊開挖邊澆筑的施工技術(shù)。其原理就是把整個(gè)隧道大斷面分割成4～9個(gè)對稱的導(dǎo)坑和左右上下多個(gè)小斷面施工，以此化整為零，從各個(gè)小斷面單獨(dú)掘進(jìn)，最后形成一個(gè)大的隧道,導(dǎo)坑斷面近似橢圓，周邊輪廓圓順，避免應(yīng)力集中，利用土層或巖層在開挖過程中短時(shí)間的自穩(wěn)能力，采用網(wǎng)狀支護(hù)形式，使圍巖或土層表面形成密貼型薄壁支護(hù)結(jié)構(gòu)，用中隔壁核心土承擔(dān)部分受力[1]。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的特點(diǎn)：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法雖然開挖斷面分塊多，擾動(dòng)大，初次支護(hù)全斷面閉合時(shí)間長，但每個(gè)分塊都是在開挖后立即各自閉合的，所以在施工中間變形幾乎不發(fā)展。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工安全，但速度較慢，成本較高。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的應(yīng)用范圍：它適用于V-VI級圍巖地層，開挖斷面在大于40m2的隧道，也適用于對地表沉陷要求嚴(yán)格的隧道，而且適合于各種尺寸與斷面形式的隧道洞室。

1.2雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在Ⅲ-Ⅳ級圍巖施工存在的問題在Ⅲ-Ⅳ級巖層地區(qū)隧道都是采用鉆爆法施工，爆破以其經(jīng)濟(jì)、高效、快捷的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于地下巖體工程的開挖中,然而巖體中爆炸在造成爆區(qū)巖體破碎、剝離的同時(shí),不可避免地造成近區(qū)巖體的擾動(dòng)、損傷,中遠(yuǎn)區(qū)巖體的振動(dòng)等危害。巖體的損傷效應(yīng)在多次頻繁爆破作業(yè)的情況下更為突出。損傷巖體的力學(xué)性能劣化,強(qiáng)度降低，完整性變差,從而對巖體的安全穩(wěn)定造成威脅。研究表明：推進(jìn)式往復(fù)爆破作業(yè)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖的隧道必然導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生一定程度的損傷、破壞。任一固定斷面上,在整個(gè)推進(jìn)式往復(fù)的爆破過程中與爆源越近,損傷度和位移量越大,越遠(yuǎn)越小[2]。存在的問題如下。（1）拱部和核心巖柱受多次爆破作業(yè)的損傷、破壞，其巖體力學(xué)性能劣化。（2）核心土上臺(tái)階開挖組織困難。核心土中上臺(tái)階即⑦部開挖后緊跟拱墻二襯施工，然后進(jìn)行中下臺(tái)階開挖，核心土上臺(tái)階開挖時(shí)兩側(cè)導(dǎo)洞已開挖完成，此時(shí)唯一通道于核心土上，首部開挖時(shí)借助防水臺(tái)架可勉強(qiáng)解決人員上下開挖機(jī)具運(yùn)輸問題，而土方運(yùn)輸、排險(xiǎn)均需要的機(jī)械設(shè)備（如裝載機(jī)、挖機(jī)、渣車）和初支所需的拱架運(yùn)輸問題為施工組織難點(diǎn)。（3）工期。拱墻二襯施工與掌子面兩側(cè)導(dǎo)坑開挖作業(yè)并行期間，因防水臺(tái)架、二襯模板臺(tái)車存在，核心土兩側(cè)無法再通行車輛，運(yùn)輸困難，工期無法滿足合同要求。

2車站開挖工法初選

2.1車站開挖工法初選根據(jù)金山寺車站地質(zhì)條件，出入口布置情況，施工通道設(shè)置位置以及設(shè)計(jì)開挖工法等方面，初步增選有代表性的三臺(tái)階法、保留核心土法兩種開挖工法及設(shè)計(jì)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行比選。

2.2選取的兩種開挖工法的開挖步驟

2.2.1三臺(tái)階法的施工順序三臺(tái)階法施工順序如下：第1步，上臺(tái)階開挖，初期支護(hù)；第2步，中臺(tái)階左側(cè)開挖，初期支護(hù)；第3步，中臺(tái)階右側(cè)開挖，初期支護(hù)；第4步，下臺(tái)階左側(cè)開挖，初期支護(hù)；第5步，下臺(tái)階右側(cè)開挖，初期支護(hù)；第6步，敷設(shè)仰拱防水層，澆筑仰拱混凝土；第7步，敷設(shè)防水層，澆筑隧道拱、墻二次襯砌。其施工順序見圖2。

2.2.2保留核心土法的施工順序保留核心土法施工順序如下：第1步，上部開挖，初期支護(hù)；第2步，左側(cè)中部導(dǎo)坑開挖，初期支護(hù)；第3步，右側(cè)中部導(dǎo)坑開挖，初期支護(hù)；第4步，左側(cè)下部導(dǎo)坑開挖，初期支護(hù)；第5步，右側(cè)下部導(dǎo)坑開挖，初期支護(hù)；第6步，核心土上部開挖；第7步，核心土下部開挖，初期支護(hù)；第8步，敷設(shè)仰拱防水層，澆筑仰拱混凝土；第9步，敷設(shè)防水層，澆筑隧道拱、墻二次襯砌。其施工順序見圖3。

3車站開挖工法比選

3.1三種開挖工法下圍巖變形分析

3.1.1車站開挖工法模型建立運(yùn)用彈塑性有限元進(jìn)行模擬分析，為減小邊界效應(yīng)保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，模型尺寸為：隧道中線左右分別取50m，豎直向上取至地表，地表至下邊界86m；因隧道埋深較深，故計(jì)算時(shí)按自重應(yīng)力場考慮。計(jì)算區(qū)域側(cè)向邊界處水平位移被約束以模擬場地的半無限遠(yuǎn)邊界，底面沿豎直方向位移被約束，按照平面應(yīng)變問題計(jì)算。有限元模擬計(jì)算以初始地應(yīng)力場（包括重力和上部荷載）、隧道開挖等過程進(jìn)行，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD70-2004要求，在模擬開挖過程中，隧道開挖和初期支護(hù)在相應(yīng)邊界節(jié)點(diǎn)應(yīng)力釋放60%，施作二襯和仰拱完成后在相應(yīng)邊界節(jié)點(diǎn)應(yīng)力釋放40%[3]。

3.1.2三種開挖工法下圍巖變形計(jì)算結(jié)果三臺(tái)階法取隧道下臺(tái)階右側(cè)開挖初期支護(hù)完成后的計(jì)算結(jié)果，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法取隧道中下部臺(tái)階開挖初支完成后的計(jì)算結(jié)果，保留核心土法取隧道核心土下部開挖初支完成后的計(jì)算結(jié)果。

3.1.2.1水平位移分析三臺(tái)階法最大值1.639mm；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最大值1.340mm；保留核心土法最大值1.414mm。見圖4。

3.1.2.2豎向位移分析三臺(tái)階法最大值5.627mm；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最大值5.271mm；保留核心土法最大值5.329mm。

3.1.2.3計(jì)算結(jié)果分析經(jīng)過以上數(shù)值模擬分析，針對車站開挖工法的不同情況，圍巖的位移計(jì)算結(jié)果匯總于表1。從表1中可以看出，車站隧道開挖三種工法所計(jì)算的位移值相差較小，其中，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法豎向位移最小，其最大值為5.271mm；其次為保留核心土法，其最大值為5.329mm；三臺(tái)階法其值最大，為5.627mm。

3.2三種開挖工法比選

對初步選取的三臺(tái)階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、保留核心土法在安全性、經(jīng)濟(jì)性及工期等方面比選見表2[4]。經(jīng)過以上數(shù)值模擬分析，三種施工法的圍巖位移值都相差不大，其中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的位移最小，核心土法較大，三臺(tái)階法的位移最大；其豎向位移最大值核心土法比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法大1.1%，三臺(tái)階法比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法大6.8%。同時(shí)經(jīng)過列表比選，三臺(tái)階法安全性一般，在此車站不宜采用；保留核心土法在安全性稍低于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法外，其他幾個(gè)方面都優(yōu)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。綜合以上分析比選，選擇了工期較快，且經(jīng)濟(jì)合理的保留核心土法來進(jìn)行組織施工。

4結(jié)語

金山寺車站采取保留核心土法施工解決了拱部和核心巖柱受多次爆破作業(yè)的損傷、破壞，其力學(xué)性能劣化問題，也解決了核心土上部開挖組織困難問題，同時(shí)，采取保留核心土法在14個(gè)月內(nèi)安全順利地完成了車站主體開挖及初支，比原設(shè)計(jì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法計(jì)劃19個(gè)月，提前5個(gè)月，提前了26.3%。保留核心土法通過金山寺車站安全順利建成，為類似工程提供了參考。

作者：吳秋良王翔單位：重慶建工集團(tuán)股份有限公司