地铁隧道下穿南明河方案比选分析

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　　摘    要：隧道下穿南明河有两种预备施工方案，分别为悬臂掘进机铣挖施工与钻爆施工。为了研究哪一种施工方案更适合进行施工，采用数值模拟的方法对这两种施工方案进行分析，根据数值模拟的结果，选取施工过程中的位移、应力和速度等结果进行分析，进而分析采用这两种施工方案之间的区别。利用专业有限元软件MIDAS/GTS NX建立三维数值模型，对两种不同的开挖方法进行数值模拟，根据数值模拟所得到的结果得出最优的开挖方案。
　　关键词：隧道;悬臂掘进机;钻爆;数值模拟
　　1  引言
　　在我国西南地区，修建城市隧道等工程过程中，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，工程区间隧道南明河段采用爆破开挖对周边环境影响大，市民反应强烈且安全风险高。区间隧道穿越岩質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，施工中分别对悬臂式掘进机[5-14]施工和钻爆法两种方案进行对比分析，从而得到最优的施工方案，对城市隧道下穿河流悬臂掘进机施工技术研究意义重大。
　　2  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），此间隧道下穿越名族路后到达南明河河道区域，右线下穿的长度约190m（YDK24+330～YDK24+520），左线下穿长度约240m（ZDK24+320～ZDK24+560）。此间隧道穿过南明河后进人民广场站。南明河的上方有合一桥和协力桥来连结筑城广场与彼岸，桥梁的桩基在河岸，未设桥桩于河中;有一翻板坝设于河道中部，分流管道安放于河中西至东岸。下穿段隧道为间距13m左右，结构净距约6m，洞顶岩石厚度最小约为7.8m的单洞单线的结构。
　　3  区间隧道施工问题及施工方案
　　3.1  施工问题
　　从以上对中人区间隧道的工程概况与地质条件分析可以看出，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中人段下通南明河，并且在水流上部区域，最小的埋深仅为9m;有一翻板坝设于河水中部。中人区间隧道洞顶的岩层厚度最小约为7.8m。
　　3.2  施工方案
　　为了保证中人区间段能够高效顺利的作业，目前有两种方案，分别是钻爆法和悬臂掘进机施工。（1）钻爆法施工：中人区间隧道剖面为标准剖面，钻爆时，采用台阶法弱爆破。（2）悬臂掘进机施工：采用台阶法施工时，区间标准开挖隧道断面尺寸为6.7m（宽）×7.2m（高），面积达到39.7㎡，区间隧道的净空尺寸为6.2m（宽）×6.6m（高），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。上台阶初期支护形成后立即对其注浆加固，区间二衬紧跟初期支护封闭成环。
　　4  隧道施工掘进方案比选分析
　　4.1  钻爆法施工影响分析
　　（1）区间隧道爆破施工方案。针对中人区间的过程概况、地质情况、周边环境等，参考贵阳市轨道交通1号线地下工程钻爆施工已有的经验，利用减振降噪技术，科学合理的进行施工，进而提出钻爆办法。以已有的规范为基础，钻爆施工参考GB 6722—2011《爆破安全规程》。中人区间隧道施工过程中，地表的构筑物多为砖混结构造，参考GB 6722—2011《爆破安全规程》爆破振动安全允许振速取3cm/s。根据隧道周边的围岩等级、单洞单线暗挖断面开挖总面积以及隧道所处的周边环境，本次施工采用上下台阶法开挖方式进行施工。钻爆法爆破时用YT-28手持风钻进行打眼，钻孔直径为φ45mm;通过起爆器引爆非电毫秒雷管进行起爆，炸药的类型选用φ32mm的2号岩石乳化炸药，雷管的类型选用国产Ⅱ系列1～15段单数段非电毫秒雷管。
　　参考贵阳同类地质、相同断面地铁区间钻爆施工的经验，以及中人区间隧道的实际情况，设计时选择合适的钻爆参数，然后在区间隧道试爆，同时对振速进行监测，然后对钻爆参数进行调整，直到钻爆的效果与爆破的振速达到要求。由于此段隧道地表有较多的构筑物，所以用减振措施“短进尺、弱爆破”来确定爆破施工。起爆顺序：掏槽眼→辅助眼→内圈眼→周边眼→底板眼。
　　根据前期勘察结果可知：中人区间隧道穿越的岩层主要为白云岩和泥质石灰岩，围岩较为完整，并且岩石的强度较高，采用光面爆破施工。在单洞单线暗挖隧道区间，施工时采用台阶法开挖，上、下台阶开挖循环进尺要控制在1m左右，在爆破施工的过程中，为了减少对地表的振动影响以及围岩的扰动，应严格控制每循环的进尺，使用减轻振动掏槽技术，雷管段别要提高，减少单段的最大装药量，炮眼不宜过深，装药不要耦合。
　　（2）爆破影响的数值模拟。MIDAS/GTS NX在进行振动分析时通过曲面弹簧定义弹性边界。计算弹簧系数的方式较多，MIDAS/GTS NX在算爆破施工振动时，使用的是本国的铁道规范中的地基反力系数的计算方式[15]。
　　（3）钻爆施工数值模拟结果分析。采用钻爆法施工时，图1和图2分别为水平与竖向的速度时程曲线。由图1可知，水平方向的振速最大为1.25cm/s，在规范允许的范围内，之后速度急剧下降，在2.5s以后，速度渐渐消失;由图2可知，竖直方向的振速最大为3.5cm/s，竖直方向的最大振速超出规范值，从2s以后，振速逐渐消失;从竖直和水平方向速度对比来看，振动速度水平方向小于竖直方向。
　　图3和图4分别为水平位移时程与竖向位移时程曲线。对于同一个特征点，由于爆破所产生的变形会在极短的时间内达到峰值，而且随着时间的增加，变形会逐渐减小直至为零。由图3可得，水平方向的最大瞬时位移为7.92mm，由图4可得，竖向瞬时位移最大值为6.86mm，两个方向的最大瞬时位移差别较小。 　　4  竖向位移时程曲线
　　图5和图6分别为爆破开挖后的X方向与Z方向应力云图。从图5中可以看出，随着爆破荷载的作用，拱顶位置的应力表现为拉应力，其余位置以压应力为主，压应力最聚积的地方为拱顶和仰拱之下，最大值为0.78MPa。在由图6可以显示，与其他部位相比，边墙和拱腰部位全布表现是压应力且明显较大，最大值为1.4MPa。
　　4.2  悬臂掘进机施工影响分析
　　（1）模型及模型参数。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（X轴）方向为100m，岩轴线（Y轴）方向为45m，竖直（Z轴）方向为60m。静力状况下，只考虑岩土体及支护结构在自重条件下隧道开挖的影响，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。
　　（2）数值模拟结果及分析。在悬臂掘进机铣挖法施工下，图7和图8为竖向位移与横向位移的云图。通过图7观察，拱顶和仰拱处，竖向位移出现最值，竖向位移总体趋势表现为拱顶下沉和仰拱向上凸起，拱顶最大沉降值为6.27mm，仰拱最大凸起值为6.97mm;由图8可以看出，隧道的横向最大位移值为1.59mm出现在拱腰;竖向位移的变化都大于横向位移的变化，因此在施工过程中要重视拱部区域的支护情况，横向位移和竖向位移的变化值都在允许的范围之内。
　　悬臂掘进机铣挖法施工下，图9为施工后的X方向应力云图，图10为施工后的Z方向应力云图。由图可以得出，在悬臂掘进机施工下，主应力最大的地方出现在隧道拱顶部位和左右两侧拱脚处，其中拱顶处最大应力值为21.08KPa;从隧道其他区域的主应力数值变化来看，悬臂掘进机铣挖施工情况下，应力的变化都在合理范围内。
　　由图11可以看出，围岩的仰拱和拱顶处为塑性区主要聚集部位，采用台阶法开挖时，上台阶挖掘过程中，塑性区主要在拱顶，随着挖掘的进行，塑性区向两侧转移，且逐渐变小，挖掘完成后，塑性区主要在仰拱处。
　　4.3  钻爆法及悬臂掘进机施工的对比分析
　　通过数值模拟分析悬臂掘进机铣挖法施工和钻爆法施工的结果，来选出更适合中人区间的施工方案。表1为两种方案施工下的位移变化情况。由表可以看出，悬臂掘进机施工条件下的各个方向的位移都小于钻爆法施工各个方向的位移，其中，水平方向位移差别较大，铣挖施工利用悬臂掘进机更有优势。表2为特征点主应力对比情况。由表可得，采用钻爆法施工的主应力远大于悬臂掘进机施工的主应力，其中悬臂掘进机施工的最大主应力值为21.1kPa，钻爆法施工的主应力最大值为562.7kPa。
　　5  结论
　　通过数值模拟分析對比可得，从位移的角度来看，采用悬臂掘进机施工，各个特征点的位移值小于钻爆法施工的位移;从应力的角度来看，钻爆法开挖的应力值远大于悬臂掘进机施工的应力值;在钻爆法施工条件下，从振速来看，水平方向的振速最大为1.25cm/s，竖直方向的振速最大为3.5cm/s，由此可以看出，水平方向振速在允许的范围内，而竖直方向速度则大于规范值3cm/s，对地表产生的扰动较大;所以综合来看，悬臂掘进机来施工明显优于钻爆法。
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