大跨隧道拱蓋法施工地層沉降分析

杜子建

(青島地鐵集團(tuán)有限公司，山東青島 266071)

大跨隧道拱蓋法施工地層沉降分析

杜子建

(青島地鐵集團(tuán)有限公司，山東青島 266071)

針對(duì)“上軟下硬”地層中大跨隧道拱蓋法施工的地層沉降問(wèn)題，選取某地鐵車站的典型剖面，建立二維分步開挖模型，通過(guò)分步開挖全過(guò)程的數(shù)值分析，得到拱蓋法不同施工步序下的沉降值，推斷控制重要環(huán)節(jié)為中導(dǎo)洞開挖、拆撐和拱蓋施作、側(cè)導(dǎo)洞開挖。對(duì)重要工序下地表沉降監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步對(duì)各階段沉降比重進(jìn)行驗(yàn)證，并分析兩者發(fā)生偏差的原因并提出相應(yīng)對(duì)策。

大跨隧道;數(shù)值分析;拱蓋法;地層沉降

山東省青島市地處膠東半島西南部，地基多為燕山晚期巖漿巖類硬質(zhì)巖石，后期由于風(fēng)化作用，在花崗巖上部形成了一定厚度的風(fēng)化帶，其上部還沉積有厚度不均的第四紀(jì)松散堆積物，是典型的“上軟下硬”地質(zhì)類型。青島地鐵許多暗挖車站就位于這種“上軟下硬”的地層中，即上部地層為松散土及強(qiáng)風(fēng)化巖，下部地層為中～微風(fēng)化巖層，硬巖面埋深13～20 m。在此種地層中開挖大跨隧道，由于要采用爆破作為主要開挖手段，采用常規(guī)的CRD法和PBA法均具有一定的局限性［1－8］。

拱蓋法作為一種無(wú)柱單拱大跨斷面的開挖方法，是基于地鐵車站蓋挖法和扣拱法兩種工藝的結(jié)合，能較好地針對(duì)青島地區(qū)地層“上軟下硬”的地質(zhì)特點(diǎn)，首先強(qiáng)支護(hù)開挖上拱，將邊墻置于堅(jiān)硬中～微風(fēng)化花崗巖層中，充分利用硬巖層對(duì)拱體的支撐作用，既節(jié)約了成本，在大拱蓋形成以后，還能在洞內(nèi)進(jìn)行下部巖體的大型機(jī)械和大面積開挖作業(yè)，加快了進(jìn)度，是“上軟下硬”地層中開挖的適宜性工法［9］。拱蓋法施工涉及到多步工序，每道工序都會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生一定擾動(dòng)并造成地層沉降。目前的施工沉降分析和控制指標(biāo)中，往往只提出了最終沉降量控制指標(biāo)，對(duì)每道工序引起的沉降量并沒有明確提出控制要求，也沒有相應(yīng)的預(yù)警值，造成了施工過(guò)程每個(gè)步序中沉降控制的隨意性和盲目性［10－12］。所以，對(duì)大跨隧道拱蓋法施工這個(gè)動(dòng)態(tài)并逐步累積的沉降過(guò)程進(jìn)行分析，并將總沉降控制量按不同工序的重要性賦予每個(gè)階段，是目前大跨隧道工程中值得探討的問(wèn)題。

1 工程概況

青島地鐵某車站全長(zhǎng)176.9 m，為地下兩層暗挖結(jié)構(gòu)島式車站，拱頂覆土厚度為10～12m，采用單拱直墻拱蓋法開挖，開挖跨度19.2m，高度16.2m，車站平面布置見圖1。站址范圍內(nèi)上部土層為第①層人工填土、沖洪積層，第○11層粉質(zhì)黏土、第○12層含砂黏性土，無(wú)軟土和砂層分布，下伏基巖為燕山晚期花崗巖，強(qiáng)風(fēng)化下亞帶巖面埋藏深度變化不大，風(fēng)化厚度為1.00～7.20m，平均層厚為3.7m，車站單拱拱角基本位于中風(fēng)化巖層中，車站底板全部位于微風(fēng)化花崗巖層上。車站地層富水性一般，透水性較差，主要為松散層孔隙水和基巖裂隙水，地下水位埋深為4.8～13.6m。車站平面見圖1，車站典型地質(zhì)縱剖面如圖2所示。

圖1 車站平面

圖2 車站地質(zhì)縱剖面

車站采用的支護(hù)形式為:掌子面拱部超前打設(shè)3.5 m長(zhǎng)φ42mm注漿小導(dǎo)管，開挖后拱部垂直打設(shè)φ25mm中空注漿錨桿，側(cè)墻垂直打設(shè)4.0m長(zhǎng)φ25mm砂漿錨桿，支撐采用75 cm間距鋼格柵，雙層φ8mm鋼筋網(wǎng)，30 cm厚噴射混凝土，側(cè)壁臨時(shí)支護(hù)采用型鋼支撐，噴射混凝土;二次襯砌結(jié)構(gòu)采用45 cm厚澆筑鋼筋混凝土。施工過(guò)程中未降水，采取了嚴(yán)堵水的方案，并結(jié)合一定的超前鋼花管引排水措施，保證局部滲漏嚴(yán)重工作面的穩(wěn)定。開挖支護(hù)方案如圖3所示。

車站主體位于市主干道下方，車站范圍內(nèi)與2條支路交匯，交通流量大，并有市政管線從路下方通過(guò)，周邊無(wú)高大建筑物。根據(jù)隧道覆跨比較小和周邊環(huán)境等特點(diǎn)，并綜合考慮了隧道結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定，以及上方市政管線的安全和道路車輛的正常通行等多方因素，經(jīng)審定制定地面變形和沉降總控制標(biāo)準(zhǔn)為:地表總沉降量控制在45 mm以內(nèi)，地面隆起量控制在20 mm以內(nèi)。

圖3 車站拱蓋法施工支護(hù)方案(單位:mm)

2 開挖模擬分析

分析模型寬度選擇為5倍車站寬度，高度選擇為2.5倍車站高度，即為96m×40.5m，左右邊界距隧道邊界為2倍洞徑，下邊界距隧道底為1倍洞徑，以保證模型邊界約束不影響車站隧道的開挖計(jì)算，邊界采用位移進(jìn)行約束。初支方案中對(duì)車站拱部設(shè)置有超前注漿小導(dǎo)管和中空注漿錨管等多種措施，計(jì)算中對(duì)加固區(qū)的巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了等效處理。根據(jù)相關(guān)地質(zhì)勘察報(bào)告和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，巖土體及加固區(qū)的工程力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體工程力學(xué)參數(shù)

車站拱蓋法施工步序?yàn)?(1)施作一側(cè)導(dǎo)洞并支護(hù);(2)施作另一側(cè)導(dǎo)洞并支護(hù);(3)施作中導(dǎo)洞并支護(hù);(4)施作縱托梁;(5)拆除臨時(shí)中支撐并施作拱蓋結(jié)構(gòu);(6)放坡開挖下部硬質(zhì)巖體并支護(hù);(7)完全開挖下部巖體;(8)完成整體二襯施作。采用MIDAS/GTS建立分步開挖模型，依據(jù)修正摩爾－庫(kù)倫本構(gòu)模型得到開挖工序下跨中地表觀測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降值及分步沉降占比，見表2。圖4為模型在不同工序下的沉降分析云圖。

圖4 分步開挖模型分析位移云圖

表2 跨中地表沉降分析

從表2中可以看出，跨中地表沉降在中導(dǎo)洞開挖時(shí)沉降占比最大，為31.8%;施作拱蓋結(jié)構(gòu)時(shí)臨時(shí)支撐的拆除引起沉降值其次，為28.1%;左右側(cè)導(dǎo)洞開挖時(shí)造成跨中地表沉降值合計(jì)8.3 mm，合計(jì)占比為22.1%，此時(shí)側(cè)洞正上方地表沉降值最大達(dá)到了11.3 mm。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，說(shuō)明在施工環(huán)節(jié)中，中導(dǎo)洞的開挖、拆撐和拱蓋施作、側(cè)導(dǎo)洞的開挖均為重要工序。在實(shí)際施工中，需要在以上工序上嚴(yán)格要求，加強(qiáng)施工組織，落實(shí)施工方案，對(duì)不良地質(zhì)情況及時(shí)預(yù)警，并需針對(duì)性采取加強(qiáng)技術(shù)措施。

3 沉降監(jiān)測(cè)及對(duì)比分析

結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)和路面交通情況，選取里程K3+741.1的橫斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由于路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位受到車況及其他情況的限制，每點(diǎn)布設(shè)間距取5m，共布設(shè)7點(diǎn)，得到的橫斷面地表沉降監(jiān)測(cè)變化時(shí)距曲線見圖5，最終地表沉降槽曲線見圖6。

圖5 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)變化時(shí)距曲線

圖6 地表沉降槽曲線示意

從監(jiān)測(cè)圖中可以看出，在隧道開挖過(guò)程中，地表最大沉降點(diǎn)隨著不同導(dǎo)洞的開挖而不同，在左右導(dǎo)洞開挖時(shí)最大沉降點(diǎn)交替出現(xiàn)在左右導(dǎo)洞上方，在中導(dǎo)洞開挖時(shí)最大沉降點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹袑?dǎo)洞正上方，最終地表沉降最大點(diǎn)出現(xiàn)于隧體中線上方，與模型分析基本一致，且監(jiān)測(cè)同樣反映出沉降速率較大的時(shí)段正好對(duì)應(yīng)于導(dǎo)洞的開挖以及拆撐施作拱蓋等關(guān)鍵工序，在各工序的重復(fù)擾動(dòng)下，地表沉降曲線較多呈現(xiàn)階梯下降形態(tài)。根據(jù)不同時(shí)期的監(jiān)測(cè)值發(fā)現(xiàn)，在中導(dǎo)洞開挖過(guò)程中，車站主體上方的沉降點(diǎn)出現(xiàn)了較大速率的下降，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)主體邊界外的地表沉降點(diǎn)均出現(xiàn)了不同幅度長(zhǎng)時(shí)間的沉降，說(shuō)明中導(dǎo)洞開挖對(duì)車站上方的地層擾動(dòng)較大，引起了較大范圍的地層沉降;在拱蓋施作和開挖下斷面過(guò)程中，車站正上方地表沉降受到較大影響，但偏離隧道主體以外的地表沉降速率已明顯變緩，表明此階段隧體邊界外地層受到的影響較小。

累計(jì)沉降最大值監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同步序下的沉降值及其量值占比關(guān)系見表3。從表中對(duì)應(yīng)得到，中導(dǎo)洞開挖引起的沉降值最大，占總沉降量百分比為52.6%;其次為拱蓋施作及拆撐過(guò)程引起的沉降值，占總沉降量百分比為16.1%;另外，左右側(cè)上導(dǎo)洞的開挖累計(jì)造成的沉降值也較大，總占比為25.2%。

對(duì)比分析各階段模型計(jì)算結(jié)果可以得到，兩者分析得到關(guān)鍵工序重要程度基本一致，但施工監(jiān)測(cè)得到的中導(dǎo)洞開挖造成沉降值偏大，拆撐做拱階段沉降貢獻(xiàn)值相對(duì)較小，最終跨中地表累計(jì)沉降值較模擬值偏大。分析原因，可能在于數(shù)值計(jì)算是基于各施工工序無(wú)縫銜接的理想狀態(tài)，而實(shí)際施工過(guò)程中，由于機(jī)械設(shè)備人員以及施工組織等不確定原因造成了支護(hù)時(shí)間的不及時(shí)以及工序轉(zhuǎn)換時(shí)支護(hù)及時(shí)性和有效性的降低，引起了不可計(jì)算的沉降值。另外，施工過(guò)程中，針對(duì)模擬分析中拆撐做拱階段沉降值較大的情況，各有關(guān)方面及時(shí)對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定調(diào)整，采取了“以錨代撐”的技術(shù)，即拆撐之前在鋼格柵連接處打設(shè)脹殼式錨桿，施加一定預(yù)應(yīng)力以取代一部分支撐作用力，實(shí)踐證明效果較好，并最終將累計(jì)沉降值控制在指標(biāo)范圍內(nèi)。綜合分析，在多導(dǎo)洞開挖的大跨隧道中，合理優(yōu)化導(dǎo)洞的開挖順序及開挖錯(cuò)距，有效組織各工序的無(wú)縫銜接，并及時(shí)對(duì)暴露工作面進(jìn)行支護(hù)和封閉，并針對(duì)重要環(huán)節(jié)及時(shí)采取加強(qiáng)措施，是減少地層沉降的有效手段。通過(guò)數(shù)值模擬分析，可以得到圍巖開挖擾動(dòng)下地表沉降的一定規(guī)律，對(duì)于區(qū)分較重要的施作工序具有一定指導(dǎo)意義。在實(shí)際施工中，還需根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果將不同階段的沉降值重新反饋到計(jì)算模型中，及時(shí)修正階段結(jié)果，并進(jìn)行一定的反演計(jì)算來(lái)指導(dǎo)后續(xù)施工［13］。

表3 分步沉降監(jiān)測(cè)值

4 結(jié)論

本文主要探討了地鐵車站拱蓋法施工不同工序下的地表沉降值，對(duì)不同工序的沉降影響重要性進(jìn)行綜合判斷，并比較理論計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測(cè)值共性與差異性，得出如下結(jié)論。

(1)大跨隧道暗挖施工涉及到多步序、多環(huán)節(jié)的銜接與轉(zhuǎn)換，工序較為復(fù)雜，特別是城市地鐵車站的開挖，施工風(fēng)險(xiǎn)較高，嚴(yán)格控制地層及地面沉降尤為重要。

(2)拱蓋法工藝能較好適用在“上軟下硬”地層中的大跨隧道開挖施工，針對(duì)不同工序下地表沉降值的模擬和監(jiān)測(cè)分析，及時(shí)對(duì)關(guān)鍵工序進(jìn)行確認(rèn)并采取針對(duì)性措施，能有效實(shí)現(xiàn)總沉降控制目標(biāo)。

(3)拱蓋法施工工序中，中導(dǎo)洞開挖和拆除上部導(dǎo)洞臨時(shí)中隔墻均為關(guān)鍵工序，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，及時(shí)封閉成環(huán)，并盡量合理安排二襯施工時(shí)的每倉(cāng)長(zhǎng)度，以控制破除臨時(shí)中隔墻范圍。另外，及時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)值重新反演計(jì)算模型，并針對(duì)重要施工環(huán)節(jié)采取一定加強(qiáng)措施，可有效減小施工中的地層沉降。

［1］北京城建設(shè)計(jì)研究總院．GB50157—2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003．

［2］Villy A．Kontogianni，Stathis C．Stiros．Induced deformation during tunnel excavation: Evidence from geodetic monitoring［J］．Engineering Geology，2005(79):115－126．

［3］蔣樹屏，趙陽(yáng)．復(fù)雜地質(zhì)條件下公路隧道圍巖監(jiān)控量測(cè)與非確定性反分析研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(20):3460－3464．

［4］吳波．沉降控制基準(zhǔn)分析及應(yīng)用［C］∥第10屆隧道與地下工程科技動(dòng)態(tài)報(bào)告會(huì)．成都:2000．

［5］范文興，黃捷勝，蒲開勇．城市淺埋暗挖地鐵隧道沉降控制與分析［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(S2):60－63．

［6］王渭明，黃明琦，吳克新．廈門翔安海底隧道CRD法施工數(shù)值分析［J］．山東科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007(2):27－31．

［7］張先鋒．對(duì)硬巖地層地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)和思考［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(3):476－480．

［8］彭澤瑞，郭建國(guó)，等．北京地鐵復(fù)八線土建工程施工技術(shù)［M］．北京:科學(xué)技術(shù)出版社，2003．

［9］賈貴寶．拱蓋法在地鐵車站施工中的應(yīng)用［J］．合作經(jīng)濟(jì)與科技，2011(12):126－127．

［10］孫均．地下工程設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐［M］．上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1996．

［11］鄭良飛，王文正．大跨地鐵暗挖車站施工地層變位控制技術(shù)研究［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007(6):18－22．

［12］王文正，孔恒，黃明利．地層變位分配控制原理在大跨地鐵暗挖車站施工中的應(yīng)用與研究［J］．隧道建設(shè)，2007，8(S):450－453．

Analysis on Ground Settlement during Construction of Large-span Tunnelw ith Arch Cover M ethod

DU Zi-jian

(Qingdao Metro Group Co．，Ltd．，Qingdao 266071，China)

Focusing on the problem of ground settlement during construction of large-span tunnel by arch covermethod in the strata where the upper rock soil is soft and the lower rock soil is rigid，the paper established a two-dimensionalmodel of multi-step excavation of the typical sections of a certain metro station．And then，by means of numerical analysis on the whole process of multi-step excavation，the settlement values with arch cover method under several construction procedures were obtained．On this basis，the paper suggested that the key procedures which should be under control were the excavation of middle pilot heading，the removal of temporary support，the erection of arch cover，and the excavation of lateral pilotheading．Furthermore，comparative analysis on ground settlement of key procedureswasmade in this paper，and the settlement proportion of every procedure was verified further．After analyzing the probable reason for the difference between monitoring value and simulation value，the corresponding countermeasureswere proposed．

large-span tunnel;numerical analysis;arch covermethod;ground settlement

U455

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．026

1004－2954(2014)03－0110－04

2013－05－18;

2013－07－25

杜子建(1983—)，男，工程師，工學(xué)博士，E-mail:duzj1127@126．com。