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摘要：地铁区间隧道地质条件及周边情况比较复杂，在悬臂掘进机施工过程中，为了保证隧道顺利贯通，选取必要的监控量测项目进行监测，及时掌握隧道施工过程中的情况，与数值模拟结果进行对比分析，降低施工过程中的风险，对隧道的施工提供必要的指导。
关键词：隧道；悬臂掘进机；监测；数值模拟
1 引言
在我国西南地区修建城市地铁等工程时，绝大多数采用钻爆法修建暗挖隧道，但是在城市中，钻爆法施工存在振动大、噪音大的问题，对市民生活有较大影响，且难以通过有效的方法来解决，因此，探讨新的施工方式势在必行[1-4]。贵阳轨道交通1 号线在施工过程中，工程区间隧道穿越岩质地层段采用爆破开挖对周边环境影响大，市民反应强烈。区间隧道穿越岩质地层施工初期采用毫秒微差起爆和改进的秒差雷管起爆，有效降低了地震波振速峰值，极大地减少了对地表建筑物的振动影响。但由于区间隧道爆破施工的特点及其本身的局限性，爆破振动及爆破施工引起的环境噪音问题突出，市民反应强烈。为解决施工中存在爆破扰动大、风险高的问题，施工中采用悬臂式掘进机进行施工，同时对悬臂掘进机施工影响的进行监测及分析，对地铁隧道穿越岩质地层悬臂掘进机[5-14]施工技术研究意义重大。
1 工程背景
中山路站～人民广场站区间全长约719m（YDK23+887.850～YDK24+607.055），区间隧道下穿过名族路后到达南明河河道区域，右线下穿的长度190 m左右（YDK24+330～YDK24+520），左线下穿长度约240m（ZDK24+320～ZDK24+560）。区间穿过南明河后是人民广场站。筑城广场位于南明河段东面，市西河从西面流入南明河；南明河上侧有两座桥，协力桥（新一中桥）和合一它们连通对岸的通道与筑城广场，桥梁桩基设置在河岸上；有一翻板坝位于河道中部，南明河西侧到东侧的分流管道设置在河中。区间隧道线间距大约13m，区间净距6m左右，下穿段洞顶部最小岩层部分约7.8m厚，采用了单线单洞结构。区间隧道下穿南明河段按顺序为河床底淤泥层、松子坎组中风化泥质白云岩、松子坎组中风化泥质石灰岩。
2 间隧道施工问题及施工方案
2.1施工问题
在以上对中人区间隧道的工程概况与地质条件的分析可以看出，在施工过程中，此区间隧道存在较大的施工难度，主要有以下问题：①中人段穿过南明河，并且是河流的上部，最小的埋深仅为9m；有一翻板坝设置于河道中端。中人区间下穿段洞顶部最小岩层部分约7.8m厚。
2.2施工方案
悬臂掘进机施工：采用台阶法施工时，区间隧道按照标准开挖断面应为6.7 m(宽)×7.2 m(高)，面积为39.7 m³，区间隧道的净空尺寸为6.2 m(宽)×6.6 m(高)，台阶法施工的纵横断面图如图1所示。 台阶法主要施工工序为：上台阶开挖支护－下台阶开挖支护－仰拱开挖支护（初期支护封闭成环）。上台阶初期支护形成后立即对初期支护背后注浆加固，区间二衬紧跟初期支护，及时封闭成环。
图1 台阶法施工图
3 监测项目及测点布设
3.1地表沉降
进行地表面沉降的监测时，测点的设置要按照要求，具体方法为：开始先在地表面开孔，直径为Φ120 mm，向孔内埋置Φ22 mm螺纹钢筋，钢筋的端部应打磨成椭圆形， 钢筋的长度应该大于冻土线的深度，（如果路面由混凝土材料施工完成，钢筋底部必须打入路面下的路床内20 cm，并且和路面分开），随后将细砂及木屑填入钢筋旁边击实，监测时，为防止路面沉降对监测结果的影响，不可用水泥和混凝土加固，并且监测点上方应该用盖子保护。
3.2拱顶沉降
在设置拱顶沉降测量点时，应用钻孔和焊接进行埋置，从洞内监测难度及现场安全的角度出发，也可设置反光片在拱的顶部测量点处，使用全站仪免棱镜方式测量，将3*3cm 或4*4cm 反射膜片以胶粘形式牢固粘贴于加工好的钢板上。
图2隧道净空收敛监测示意图
3.3水平收敛
当采用收敛计进行隧道收敛观测时，在设计位置采用在格栅上焊接成对挂钩方式进行埋设。如下图2所示。
4监测数据分析
（1）地表沉降
图3为三个监测断面的地表横向沉降槽曲线，能够得出：在隧道的开挖结束之后，地表的沉降槽曲线成对称分布，沿隧道中线对称，沉降量最大点在对称轴处，对称轴往两边沉降量渐渐变小，和 Peck曲线分布较为吻合。其中监测断面YDK24+205 的地表沉降值最大，是5.47mm，其余两个断面的沉降量约4.5mm；从数据分布来看，隧道中心线以外10m 范围内是地表的沉降的主要影响区域。
图3地表横向沉降变化
图4为监测断面的地表沉降纵向地表沉降曲线。从图中可以看出：在悬臂掘进机施工过程中，在施工前15 天，地表沉降速度较快，在施工15 天至35 天之间，沉降速率有所减缓，在35 天之后，沉降速度趋于平缓，沉降值慢慢趋于稳定，断面DK24+330 和断面DK24+520 稳定在4.1mm 处，断面DK24+205 的稳定值在5.5mm 左右。
图4地表纵向沉降变化
（2）拱顶沉降
图5为选取的三个断面的拱顶沉降变化曲线。从图中可以看出，三个断面的拱顶沉降变化具有相似性，都可以分为两个变阶段，在悬臂掘进机施工的前15 天，拱顶沉降变化速度急剧增大，在此期间开挖之后要及时施做初期支护；之后，沉降速度逐渐变慢，沉降累计值上下波动幅度变小，在拱顶沉降达到稳定之后，断面DK24+205、断面DK24+330 和断面DK24+520 的沉降累计值分别为7.2mm，7.4mm 和7mm，差别较小，基本上都在7mm 上下浮动。
图5拱顶沉降变化曲线
（3）水平收敛
水平收敛能够直观的反应隧道的围岩应力状态变化，在施工结束后，通过测得的水平收敛位移可以判断围岩是否达到稳定状态，另外根据得到的数据分析围岩的稳定程度，并且得出二次衬砌支护的时间。图6 为监测断面的水平收敛变化曲线。从图中可以看出，在施工20 天之后，水平收敛速度逐渐变缓，DK24+520 断面的收敛值达到最大，为7.6mm，都在允许的合理范围内。
图6水平收敛变化曲线
（4）现场监测与数值模拟对比分析
依据弹性力学和岩石力学相关知识可知，隧道开挖对围岩应力状态的影响区域为隧道开挖轮廓线外3 倍洞室宽度。根据地表的实际情况模型的大小取水平向（X向）为100m，岩隧道轴线方向（Y向）为45m，竖直向（Z 向）为60m。因为模拟状态是静力状态，只需考虑隧道在自重时开挖对支护结构和岩体和的影响，不考虑构造应力的作用，所以模型的四周边界设置为水平约束，底面边界设置为水平和竖直约束。隧道支护结构模型和有限元模型网格划分如图8所示。假定地表和各土层均质且水平层状分布，岩土体采用Mohr-Column 本构模型，支护结构假定为变形弹性板单元，通过析取的方式得到。为了数值计算模拟的准确性，本次模型根据实际工程概况模拟，准确的模拟了土体、隧道的开挖步骤，采用的模型材料参数如表1所示。
4 结论
从对比结果可以得出，总体来看，数值模拟的结果都要小于现场监测的结果，而水平收敛的差别值略大于拱顶沉降的数值变化差别值，但是差别较小，说明采用悬臂掘进机铣挖施工方案的优越性。
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论文作者:梁书勤
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/11
标签：隧道论文; 断面论文; 区间论文; 悬臂论文; 地表论文; 拱顶论文; 水平论文; 《基层建设》2019年第3期论文;