黃土地區(qū)暗挖段隧道中洞施工地層變形特性分析

周莧東，孫萬里

(1.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西西安 710000;2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450003)

黃土地區(qū)暗挖段隧道中洞施工地層變形特性分析

周莧東1，孫萬里2

(1.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西西安 710000;2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450003)

以西安地鐵隧道為工程背景，在現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，研究了淺埋暗挖地鐵隧道穿越黃土區(qū)時圍巖的位移變形規(guī)律.結(jié)果表明，采用臺階法施工，上導(dǎo)引起的沉降量遠(yuǎn)小于下導(dǎo)引起的沉降量，下導(dǎo)開挖后應(yīng)在最短時間內(nèi)進(jìn)行初期襯砌支護(hù);上臺階開挖所引起的拱頂沉降量大于下臺階引起的沉降量，其沉降值在下導(dǎo)掌子面通過2D(D為隧洞洞徑)距離后逐漸趨于穩(wěn)定.

黃土地區(qū);淺埋暗挖隧道;數(shù)值模擬;變形規(guī)律;臺階法施工

西安是黃土區(qū)首次修建地鐵的城市.黃土特有的濕陷性使其工程特性在很大程度上有別于其他類土.盡管近幾年隨著北京、上海、深圳等城市地鐵的大量修建，學(xué)者們對地鐵隧道掘進(jìn)力學(xué)特性和空間效應(yīng)已進(jìn)行了大量研究［1－5］，但均局限于普通黏性土、淤泥質(zhì)土和砂質(zhì)土.因此，這些研究所獲得的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和地層變形規(guī)律并不能很好地應(yīng)用于黃土地區(qū).為了給黃土地區(qū)或類似土質(zhì)地區(qū)后續(xù)設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)和參考，研究黃土區(qū)地鐵隧道掘進(jìn)力學(xué)特性和空間效應(yīng)十分必要［6－7］.

筆者以黃土地區(qū)淺埋暗挖地鐵隧道圍巖空間效應(yīng)為研究對象，結(jié)合該領(lǐng)域已有的研究成果，綜合運(yùn)用現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)理統(tǒng)計(jì)以及理論分析等方法，分析了隧道開挖對老黃土區(qū)縱向和橫向的主要影響區(qū)域，利用數(shù)值分析手段模擬隧道的開挖支護(hù)，評價不同施工方法對黃土層穩(wěn)定性的影響.

1 工程概況

西安地鐵會展中心站配線暗挖段區(qū)間隧道為雙聯(lián)拱斷面，斷面右線長97.1 m，里程為 YDK20+390.085—YDK20+487. 185;左線長 98.239 m，里程為 ZDK20+390.085—ZDK20+488.324.雙聯(lián)拱斷面采用中導(dǎo)洞+CRD法施工，聯(lián)拱隧道采用中導(dǎo)洞超前貫通，中隔墻澆筑及上部回填后用中隔壁(CRD)法開挖兩側(cè)洞室.開挖過程中，上臺階采用預(yù)留核心土環(huán)型開挖法，以發(fā)揮掌子面三維支撐作用，防止其向外側(cè)滑移，確保掌子面的穩(wěn)定.循環(huán)進(jìn)尺0.5 m.左、右洞錯開約1倍洞徑距離(5～10 m)施工.

該場地屬西安市黃土區(qū)，工程影響深度內(nèi)主要地層為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、殘積古土壤及中更新統(tǒng)風(fēng)積老黃土、殘積古土壤(老黃土與古土壤交替成層)、沖積粉質(zhì)黏土(夾砂).結(jié)合該區(qū)段的區(qū)域地層特性劃分巖土層.土層分布及常用參數(shù)見表1.

該工程場地內(nèi)無地表水系，地下水屬第四系孔隙潛水類型，穩(wěn)定水位埋深15.80～23.20 m，相應(yīng)標(biāo)高409.91～414.89 m.整體呈南高北低之勢，水位年變幅為1～2 m.抗浮設(shè)計(jì)水位標(biāo)高按425.0 m計(jì).該站區(qū)潛水含水層為中更新世風(fēng)積黃土、殘積古土壤、沖積粉質(zhì)黏土，整體上含水層透水性較差，賦水性弱，但厚度較大且比較穩(wěn)定，含水層與隔水層分界不明顯，含水層厚度20～80 m.潛水主要依靠秦嶺山前洪積平原、黃土塬區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給以及地表水徑流入滲補(bǔ)給.開挖線位于地下水位以下約5.0 m，施工中均應(yīng)降低地下水位，北部開挖線位于地下水位以上可不降低地下水位.但考慮該區(qū)域地勢相對電視塔一側(cè)地勢較高，且多為綠地，大氣降水可以直接下滲補(bǔ)給地下水，遇雨季地下水位短期抬高較明顯，工點(diǎn)北部略高于地下水位的現(xiàn)狀條件會發(fā)生改變，施工期基底可能遇地下水.同時因地表水滲入，軟化了淺層濕陷性土層新黃土層，土體強(qiáng)度勢必降低.

表1 土層分布及常用參數(shù)

2 暗挖段區(qū)間隧道中洞施工數(shù)值分析

2.1 計(jì)算模型的建立

此次建模在現(xiàn)場實(shí)測及結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取計(jì)算范圍.拱頂上部取上覆土層的平均埋深16 m，左右各取洞室外輪廓線向外5倍洞徑距離，下臥土層的計(jì)算深度為仰拱向下6倍洞徑距離.土體前后左右均有水平約束，下部有垂直約束，地表為自由邊界.由于隧道開挖過程是應(yīng)力釋放過程，初期支護(hù)承擔(dān)了大部分的荷載.通常在初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定時才進(jìn)行二次襯砌，此時初期支護(hù)已經(jīng)承受了70%的荷載，二次襯砌通常被作為一種安全儲備.此次主要研究開挖時所引發(fā)的周圍土體的位移和變化規(guī)律，因此不考慮二襯的作用.為了與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，僅對中導(dǎo)洞開挖工況進(jìn)行模擬.

圖1 隧道計(jì)算模型

2.2 參數(shù)的選取

由于現(xiàn)場土層厚薄不均，相互交錯，模擬實(shí)際的土層分布很困難，因此將圍巖看成連續(xù)、均質(zhì)和各項(xiàng)同性材料來處理.施工中初期支護(hù)為每0.5 m設(shè)工字

由于構(gòu)造應(yīng)力的復(fù)雜性和未知性，此次模擬只考慮重力應(yīng)力場作為其初始地應(yīng)力.計(jì)算模型采用Drucker－Prager屈服準(zhǔn)則，圍巖采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元，支護(hù)體系采用四邊形殼單元進(jìn)行模擬.為建模方便，支護(hù)體系采用線成面的方式生成，在其常數(shù)屬性里設(shè)定了厚度值.厚度值相對開挖土體和整個圍巖很微小，因此這樣設(shè)置對整個模型的計(jì)算精度無影響.隧道模型共生成45 100個實(shí)體單元，2 900個殼單元，54 044個節(jié)點(diǎn).實(shí)體模型如圖1所示.模擬支護(hù)體系的殼單元如圖2所示.針對隧道的開挖和支護(hù)過程，ANSYS提供了獨(dú)特的“生/死(Birth/Death)”單元進(jìn)行模擬.隧道開挖時，可直接選擇將被挖掉的單元，然后將其“殺死”以模擬土體的開挖.增加支護(hù)時，可首先將相應(yīng)支護(hù)部分在開挖時“殺死”的單元激活，單元被激活時，具有零應(yīng)變狀態(tài).鋼拱架并沿洞周噴混凝土，模擬中只采用混凝土一種材料并對工字鋼進(jìn)行折算的方法處理.通過綜合考慮，圍巖及支護(hù)體系力學(xué)系數(shù)參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)選取，各參數(shù)見表2.

圖2 支護(hù)體系的殼單元示意圖

表2 圍巖及支護(hù)體系力學(xué)參數(shù)

2.3 隧道開挖模擬分析

此次模擬采用短臺階施工方法進(jìn)行隧道開挖.掘進(jìn)流程為:首先上臺階開挖5 m，形成上下臺階的步距差，然后上下臺階同時掘進(jìn)，開挖完畢馬上進(jìn)行初期支護(hù)——設(shè)仰拱和橫撐.隧道總長50 m，上下臺階每次開挖進(jìn)尺5 m，分11次步序開挖完畢.

在計(jì)算中考慮了自重應(yīng)力的影響.土層在自重應(yīng)力下出現(xiàn)一定的初始沉降，而實(shí)際上土層的沉降固結(jié)過程在過去漫長的地質(zhì)年代中早已完成，隧道開挖對圍巖的影響并不包括自重應(yīng)力引起的位移.在ANSYS計(jì)算中，自重應(yīng)力場和固結(jié)沉降是在第一計(jì)算步中才形成，分析后續(xù)施工對巖體的影響時應(yīng)減掉自重應(yīng)力引起的初始位移.圖3為第2步、第6步和第11步開挖后所引起的地層位移云圖.

由圖3(a)可知，第2步開挖完成后，起始開挖面上的圍巖位移已從拱頂呈“V”字形發(fā)展至地表.上導(dǎo)掌子面前方6 m(約1D，D為隧洞洞徑)處已開始產(chǎn)生沉降.拱頂上方2 m范圍內(nèi)沉降量最大，該區(qū)域呈橢圓狀，最大沉降值為25.8 mm.而隧道底部由于自重應(yīng)力的消失，產(chǎn)生明顯的隆起，隆起范圍波及隧道底部約28 m的深度，整個隆起區(qū)域呈扇形，且洞底中部隆起量最大，達(dá)到了68.0 mm，隨著與隧道距離的擴(kuò)大，隆起量逐漸降低.

由圖3(b)可知，第6步開挖完成后，隧道拱頂沉降范圍有了明顯的擴(kuò)大.拱頂沉降量增大為28.3 mm，隧道底部的最大隆起量達(dá)到了76.6 mm，說明拱頂沉降和洞底隆起在第1步開挖結(jié)束后仍然會持續(xù)增長，且洞底底部發(fā)生隆起范圍亦有所擴(kuò)大.從進(jìn)度看，此時隧道的上導(dǎo)掌子面位于縱向30 m處，而地表沉降的范圍仍然在上導(dǎo)掌子面前方6 m(約1 D)處.

由圖3(c)可知，第11步開挖結(jié)束時，地表沉降已貫穿了整個縱向面，地表發(fā)生沉降的橫向范圍較第2步開挖完成時并沒有擴(kuò)大，表明地表沉降的橫向范圍與隧道開挖進(jìn)尺無關(guān).此時起始開挖面的拱頂沉降量為28.1 mm，洞底隆起量為77.7 mm，兩者同第6步完成時基本相同，說明第6步開挖完成時起始開挖面圍巖變形已穩(wěn)定.

2.4 地層位移變化規(guī)律

對25 m橫向斷面上節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)一步分析.取隧道中軸線上的地表點(diǎn)做隧道掘進(jìn)與沉降的關(guān)系曲線，如圖4所示.由于上導(dǎo)掌子面比下導(dǎo)掌子面超前5 m，因此總是上導(dǎo)最先開始影響測點(diǎn)，下導(dǎo)最后退出影響區(qū).在分析時當(dāng)上導(dǎo)掌子面未穿過測點(diǎn)斷面時，取上導(dǎo)曲線作為前半程分析對象，當(dāng)其穿過測點(diǎn)斷面后取下導(dǎo)曲線作為后半程分析對象.

圖4 隧道掘進(jìn)與地表沉降關(guān)系曲線

由圖4可知，當(dāng)L/D＜－3時，沉降量很小，曲線在L/D=－3處出現(xiàn)了拐點(diǎn)，即測點(diǎn)進(jìn)入了影響區(qū).隨著掌子面不斷靠近測點(diǎn)斷面，測點(diǎn)的沉降量開始出現(xiàn)快速增長.當(dāng)L/D=2時，下導(dǎo)曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，表明測點(diǎn)快速沉降階段結(jié)束，沉降值將很快趨于穩(wěn)定.由此，可判斷短臺階法的整個施工過程對測點(diǎn)的影響范圍為－3D到2D.

該斷面上的地表點(diǎn)沉降槽曲線監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，從第1步開挖開始，隨著掌子面的不斷靠近，沉降槽的深度不斷增加，直到第10步開挖完成時，沉降槽曲線基本穩(wěn)定.但整個發(fā)展過程中沉降槽的橫向發(fā)展范圍變化很小，表明沉降槽的寬度與沉降槽的發(fā)展深度并沒有直接關(guān)系，在沉降槽形成初期就已確定.整個沉降槽寬度為60 m，曲線的拐點(diǎn)在軸線兩側(cè)11.5 m左右.

3 現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

3.1 中導(dǎo)洞掘進(jìn)縱向地表沉降

中洞全線長 97.10m，里程為 DK20+390.085—DK20+487.185.隧道埋深11 ～18 m，開挖寬度5.80 m，高度9.13 m.斷面形式為直墻拱形.中洞采用短臺階人工小步距開挖，循環(huán)進(jìn)尺1.0 m，風(fēng)鎬配合施工.測點(diǎn)布置分為A，B，C，D 4個斷面，里程分別為 DK20+410，DK20+430，DK20+450，DK20+470.每個斷面設(shè)8個測點(diǎn)，間距為5 m.其中，DK20+450，DK20+470兩個斷面的監(jiān)測結(jié)果較為全面地體現(xiàn)了隧道上下導(dǎo)開挖對沉降的影響.監(jiān)測數(shù)據(jù)［8－9］表明:①淺埋暗挖隧道臺階法施工時，上導(dǎo)對測點(diǎn)的影響范圍為－2D～D，下導(dǎo)對測點(diǎn)的影響范圍為－2D～3D;②上下導(dǎo)對測點(diǎn)的影響存在一段交叉區(qū)，即上導(dǎo)對測點(diǎn)的影響還沒有完全退出時，下導(dǎo)已經(jīng)開始對其造成影響;③采用臺階法施工，下導(dǎo)對沉降量的影響大于上導(dǎo)，由此在下導(dǎo)開挖后應(yīng)在最短時間內(nèi)進(jìn)行初期襯砌的支護(hù)，使其盡快達(dá)到閉合結(jié)構(gòu)，減少圍巖的松動，減小沉降.

3.2 中導(dǎo)洞掘進(jìn)橫向地表沉降

施工中重點(diǎn)監(jiān)測了里程DK20+410，DK20+430，DK20+450，DK20+470 4 個斷面，由于監(jiān)測開始時上臺階掌子面已經(jīng)通過了DK20+410，DK20+430兩個斷面，因此此次監(jiān)測這兩個斷面的沉降值不包括上臺階的開挖對其沉降的影響.DK20+450，DK20+470兩個斷面記錄了隧道開挖對地表沉降影響的全過程(從上臺階掌子面的逼近到下臺階掌子面的遠(yuǎn)離).由于土層分布的不同，這兩個斷面的沉降值具有一定差異.從沉降槽監(jiān)測數(shù)據(jù)看，沉降曲線均對稱且接近于正態(tài)分布，橫向沉降槽寬度(沉降曲線對稱中心到曲線拐點(diǎn)的距離)約為11 m.由于土層具有不同程度的濕陷性，其在降雨后的濕陷也宏觀表現(xiàn)為沉降，因此曲線拐點(diǎn)外側(cè)的土體沉降量并沒有很快收斂.對DK20+450，DK20+470兩個斷面測點(diǎn)沉降穩(wěn)定后的沉降曲線進(jìn)行高斯曲線擬合［10］，兩條曲線對比如圖5所示.由圖5可知，實(shí)測曲線和擬合曲線吻合很好，由于兩側(cè)土體的不均勻性使得擬合曲線的頂點(diǎn)稍微偏離于中軸線.

圖5 實(shí)測沉降槽和其高斯擬合曲線對比

4 結(jié)語

1)淺埋暗挖隧道臺階法施工時，上導(dǎo)對測點(diǎn)的影響范圍為－2D～D，下導(dǎo)對測點(diǎn)的影響范圍為－2D～3D.上導(dǎo)引起的沉降量遠(yuǎn)小于下導(dǎo)引起的沉降量.因此在下導(dǎo)開挖后要在最短時間內(nèi)進(jìn)行初期襯砌的支護(hù)，使其盡快達(dá)到閉合結(jié)構(gòu)，減少圍巖的松動，減小沉降.

2)沉降槽可以用高斯曲線進(jìn)行較好地?cái)M合，但由于黃土的濕陷性系數(shù)和各地區(qū)土質(zhì)的差異性，沉降槽寬度只對類似土質(zhì)具有參考意義.

3)采用臺階法開挖時，上臺階開挖所引起的拱頂沉降量大于下臺階所引起的，其沉降值在下導(dǎo)掌子面通過2D距離后逐漸趨于穩(wěn)定.

4)采用CRD法開挖隧道時，由于對圍巖進(jìn)行擾動的次數(shù)增多，在后續(xù)開挖所引發(fā)的測點(diǎn)沉降量遠(yuǎn)大于首次開挖所引起的.因此在后續(xù)施工時要使初期襯砌盡快閉合，以達(dá)到減小圍巖位移的目的.

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An analysis of the Characteristics of Stratum Deformation in the Tunnel’s Mid-cavern Construction in the Shallow Embedded Region in Loess Area

ZHOU Xian-dong1，SUN Wan-li2
(1.Xi'an Underground Railway Co.Ltd.，Xi'an 710000，China;2.Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd.，Zhengzhou 450003，China)

The paper researches the deformation law of the displacement of the surrounding rock when the shallow embedded underground railway tunnel passes through the loess area on the basis of on-spot measurement and numerical simulation against the background of Xi’an underground railway tunnel.The research shows that with the bench method，the settlement quantity caused by the upper guide would be much smaller than that by the lower guide，and the initial lining support must be completed within the shortest time after excavation.The research also indicates that the settlement quantity caused by upper bench excavation is larger than that by lower bench excavation and the settlement quantity comes to be stable after the tunnel face of the lower guide passes through a distance of 2D(D is the diameter of the tunnel).

loess area;shallow embedded tunnel;numerical simulation;the deformation law;bench method

1002－5634(2012)02－0119－05

2012－01－20

周莧東(1978—)，男，陜西洋縣人，高級工程師，主要從事城市地鐵工程管理方面的研究.

(責(zé)任編輯:喬翠平)