膠州灣隧道青島接線端開挖區(qū)地表移動與變形

趙倩倩 李 飛 夏玉峰

天然巖體處于開放環(huán)境中，不僅受地心引力和日月潮汐引力的作用，而且受地殼板塊運動構(gòu)造應(yīng)力的作用。隧道開挖提供了上述作用力的釋放空間，并隨開挖擾動應(yīng)力共同作用于開挖圍巖中，表現(xiàn)出卸荷作用特征[1]。城市隧道由于埋深較淺，其開挖必然會對地表產(chǎn)生或多或少的影響，使地表產(chǎn)生移動、變形等，從而造成對地面已有建筑物或設(shè)施的破壞。對于隧道開挖引起的地表移動與變形問題，各國眾多學(xué)者均進(jìn)行過相關(guān)研究，但是這些研究一般只考慮了地表的沉降，對于對地表建筑物及地下管線破壞較大的地表傾斜和水平變形涉及不多，許多規(guī)范在制定地表建筑物保護等級時將地表傾斜、曲率和水平變形的大小作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，因此，在對隧道施工引起的地表移動與變形問題進(jìn)行研究時，地表傾斜、曲率和水平變形的計算不容忽視[2]。而且，隧道開挖階段及開挖后期誘發(fā)的地表移動與變形是造成各種建(構(gòu))筑物產(chǎn)生外觀及功能上損害的主要原因，每年由此而造成的經(jīng)濟損失相當(dāng)可觀[3]。因此，隧道開挖區(qū)地表移動與變形理論的研究，具有重要的理論價值和工程實踐意義。

1 工程概況

膠州灣海底隧道是青島市規(guī)劃“南隧北橋”中的南隧，是膠州灣海底隧道和快速路三期的重要紐帶。海底隧道南接黃島區(qū)的薛家島，北連青島老市區(qū)團島，下穿膠州灣灣口海域。隧道工程全長 6 170m，其中隧道長 5 550m，穿越海域段 3 300m，接線段長1 580m，兩端敞口段長 620m。本文以青黃海底隧道青島端接線工程為例，針對隧道云南路主線 ZK1+180～ZK 1+240段進(jìn)行了深入研究。

1.1 地質(zhì)概況

隧道位于地表以下約 11m深處，隧道開挖區(qū)土層較多，但層序清晰，結(jié)構(gòu)簡單，基巖為燕山晚期花崗巖及后期侵入的煌斑巖脈。標(biāo)準(zhǔn)地層層序自上而下依次為:雜填土、亞粘土、強風(fēng)化花崗巖、弱風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖。隧道圍巖級別Ⅲ級，根據(jù)鉆探結(jié)果，隧道連接線開挖頂界多埋置于弱風(fēng)化、微風(fēng)化巖石中。隧道跨度為 14.5m，高為 8.2m，距高層建筑物的最近水平距離為5.4m。

1.2 施工方案

隧道按三車道設(shè)計，采用新奧法組織施工。開挖斷面大，施工中根據(jù)隧道區(qū)域地質(zhì)條件和周邊建筑物的分布情況，采用CRD四步法開挖。該方法實際上是一種帶有臨時仰拱的中隔墻施工方法，因而它也是一種分步開挖的方法[4]。隧道開挖前采用φ42mm超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，隧道開挖時在隧道兩側(cè)采用L=4m的錨桿進(jìn)行加固。隧道用鋼筋混凝土襯砌，厚 500mm。

2 隧道開挖引起的地表移動與變形計算

為了掌握整個隧道開挖范圍內(nèi)的地表沉陷情況，我們應(yīng)用基于概率積分法的沉陷仿真計算軟件，編制地表移動和變形預(yù)計程序，并建立自動列表和成圖系統(tǒng)，生成地表沉陷等值線圖，預(yù)計整個開挖影響范圍的地表沉陷全貌，以指導(dǎo)工程師們的決策[5]。

2.1 計算參數(shù)的選取

隧道埋深為 11m，地面標(biāo)高 27.3m。本次計算中采用的參數(shù)均根據(jù)當(dāng)?shù)貙崪y資料和類似工程地質(zhì)條件的工程實例來確定，具體參數(shù)取值見表 1。

表1 計算參數(shù)表

通過調(diào)整下沉系數(shù)來模擬隧道支護，下沉系數(shù)的確定需要通過反分析法，即通過不斷調(diào)整下沉系數(shù)使應(yīng)用沉陷仿真計算軟件算得的地表最大沉降值與實際值相符。下沉系數(shù)初始值取 0.4。

2.2 地表移動與變形計算

實測地表沉降最大值為 12mm，當(dāng)下沉系數(shù)調(diào)整為 0.6時計算所得地表最大沉降值與實測值相符，此時的下沉系數(shù)即為我們需要通過反分析法確定的值。

表2 地表下沉計算數(shù)據(jù)表

表3 地表水平變形計算數(shù)據(jù)

表4 地表傾斜變形計算數(shù)據(jù)

表5 地表曲率變形計算數(shù)據(jù)

3 地表變形結(jié)果分析

根據(jù)沉陷預(yù)計軟件得到的地表移動與變形等值線CAD圖，利用插值法計算ZK1+220截面各點的地表移動和變形值(見表 2～表 5)，并擬合成曲線(見圖1～圖4)，分析距離隧道中心點不同距離處各點的地表移動與變形值的變化規(guī)律。

從表 2～表 5及圖 1～圖 4可以得出如下結(jié)論:

1)隧道 ZK1+220截面地表沉降最大值發(fā)生在 X=0處，即隧道中心，其值為 12mm。從圖 1地表沉降隨距離變化曲線可以看出，距離隧道越遠(yuǎn)，地表沉降值越小，沉降曲線的形狀與理論分析的地層沉降槽形態(tài)一致，說明用基于概率積分法的沉降預(yù)計軟件分析隧道開挖對地層的影響是可行的。2)從圖 2地表水平變形隨距離變化的曲線可以看出，隧道 ZK 1+220截面地表水平變形值以隧道中心線為軸，大體呈對稱分布。地表水平變形最大值發(fā)生在隧道中心 20m處，最大值為 0.28mm/m。地表水平變形最小值發(fā)生在隧道中心線左右的一段區(qū)域內(nèi)，平均值為 0.09mm/m。3)從圖 3地表傾斜變形隨距離變化的曲線可以看出，隧道 ZK 1+220截面地表水平變形值以隧道中心線為軸，大體呈對稱分布。地表傾斜變形最大值發(fā)生在隧道中心 10m處，最大值為 0.73mm/m。4)從圖 4地表曲率變形隨距離變化曲線可以看出，隧道 ZK 1+220截面地表曲率變形值隨距離變化與地表水平變形曲線類似，以隧道中心線為軸，大體呈對稱分布。地表曲率最大值出現(xiàn)在隧道中心左右約 16m處，最大值為 0.05mm-1。最小值發(fā)生在隧道中心左右，在隧道中心左右寬度約 20m的范圍內(nèi)地表曲率變形變化不大，其值為 0.01mm-1。 5)地表移動與變形的影響寬度約為 60m，在 60m以外，地表移動與變形值已趨于 0，隧道開挖的影響可以忽略。

4 結(jié)語

隧道開挖后產(chǎn)生的地表移動與變形是造成各種建(構(gòu))筑物及設(shè)施產(chǎn)生外觀及功能上損害的主要原因。本文通過運用基于概率積分法的沉陷仿真預(yù)計軟件計算分析了青黃海底隧道青島端接線工程云南路主線ZK 1+180～ZK1+240段的地表移動與變形情況，證明了用該方法計算隧道開挖區(qū)的地表移動與變形具有很大的可信度。研究結(jié)果為隧道開挖區(qū)的地表移動與變形的相關(guān)因素分析打下了良好的基礎(chǔ)，為采用更有效的工程措施控制地表移動與變形提供了依據(jù)。

[1] 范福平.隧道開挖引起地面沉陷的協(xié)同演化機理探討[J].青島理工大學(xué)學(xué)報，2007，28(2):41-45.

[2] 施成華，彭立敏.淺埋隧道開挖縱向地表變形預(yù)測及其基本規(guī)律[J].中國公路學(xué)報，2004，17(2):73-77.

[3] 郭 軍.地鐵隧道開挖誘發(fā)的地表沉降對鄰近建筑結(jié)構(gòu)的影響研究[D].北京:北京工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文，2005:1-2.

[4] 涂碧海，李正文，馮金海.CRD法在大跨度隧道掘進(jìn)中的應(yīng)用[J].中國市政工程，2005(6):39-41.

[5] 采動建筑物破壞程度預(yù)測及破壞機理研究[J].阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，1992，11(1):41-45.