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)坑法的特點及適用范圍雙側(cè)壁導(dǎo)坑法作為“新奧法”的一個分支，是一項邊開挖邊澆筑的施工技術(shù)。其原理就是把整個隧道大斷面分割成4～9個對稱的導(dǎo)坑和左右上下多個小斷面施工，以此化整為零，從各個小斷面單獨掘進，最后形成一個大的隧道,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間的自穩(wěn)能力，采用網(wǎng)狀支護形式，使圍巖或土層表面形成密貼型薄壁支護結(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：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法雖然開挖斷面分塊多，擾動大，初次支護全斷面閉合時間長，但每個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、高效、快捷的特點廣泛應(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,不可避免地造成近區(qū)巖體的擾動、損傷,中遠區(qū)巖體的振動等危害。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,在整個推進式往復(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）核心土上臺階開挖組織困難。核心土中上臺階即⑦部開挖后緊跟拱墻二襯施工，然后進行中下臺階開挖，核心土上臺階開挖時兩側(cè)導(dǎo)洞已開挖完成，此時唯一通道于核心土上，首部開挖時借助防水臺架可勉強解決人員上下開挖機具運輸問題，而土方運輸、排險均需要的機械設(shè)備（如裝載機、挖機、渣車）和初支所需的拱架運輸問題為施工組織難點。（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，因防水臺架、二襯模板臺車存在，核心土兩側(cè)無法再通行車輛，運輸困難，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)計開挖工法等方面，初步增選有代表性的三臺階法、保留核心土法兩種開挖工法及設(shè)計的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行比選。

2.2選取的兩種開挖工法的開挖步驟

2.2.1三臺階法的施工順序三臺階法施工順序如下：第1步，上臺階開挖，初期支護；第2步，中臺階左側(cè)開挖，初期支護；第3步，中臺階右側(cè)開挖，初期支護；第4步，下臺階左側(cè)開挖，初期支護；第5步，下臺階右側(cè)開挖，初期支護；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；第2步，左側(cè)中部導(dǎo)坑開挖，初期支護；第3步，右側(cè)中部導(dǎo)坑開挖，初期支護；第4步，左側(cè)下部導(dǎo)坑開挖，初期支護；第5步，右側(cè)下部導(dǎo)坑開挖，初期支護；第6步，核心土上部開挖；第7步，核心土下部開挖，初期支護；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用彈塑性有限元進行模擬分析，為減小邊界效應(yīng)保證計算的準確性，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，故計算時按自重應(yīng)力場考慮。計算區(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邊界，底面沿豎直方向位移被約束，按照平面應(yīng)變問題計算。有限元模擬計算以初始地應(yīng)力場（包括重力和上部荷載）、隧道開挖等過程進行，根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》JTGD70-2004要求，在模擬開挖過程中，隧道開挖和初期支護在相應(yīng)邊界節(jié)點應(yīng)力釋放60%，施作二襯和仰拱完成后在相應(yīng)邊界節(jié)點應(yīng)力釋放40%[3]。

3.1.2三種開挖工法下圍巖變形計算結(jié)果三臺階法取隧道下臺階右側(cè)開挖初期支護完成后的計算結(jié)果，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法取隧道中下部臺階開挖初支完成后的計算結(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算結(jié)果。

3.1.2.1水平位移分析三臺階法最大值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

對初步選取的三臺階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、保留核心土法在安全性、經(jīng)濟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%，三臺階法比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法大6.8%。同時經(jīng)過列表比選，三臺階法安全性一般，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)濟合理的保留核心土法來進行組織施工。

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，采取保留核心土法在14個月內(nèi)安全順利地完成了車站主體開挖及初支，比原設(shè)計雙側(cè)壁導(dǎo)坑法計劃19個月，提前5個月，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：重慶建工集團股份有限公司