地鐵隧道下穿高速公路的圍巖變形機(jī)理研究

周 建 偉

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都　610081)

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地鐵隧道下穿高速公路的圍巖變形機(jī)理研究

周 建 偉

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081)

摘要：依托深圳地鐵7號(hào)線礦山法隧道下穿廣深高速公路工程，綜合考慮了上軟下硬地層的地質(zhì)條件，通過(guò)對(duì)比分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所得到的結(jié)論，揭示了礦山法地鐵隧道下穿既有高速公路的圍巖變形機(jī)理與地表沉降規(guī)律。通過(guò)研究可知，影響隧道下穿既有構(gòu)筑物變形的因素主要為地質(zhì)因素、施工工法因素和隧道間距因素；地表變形規(guī)律可分為四個(gè)階段，每個(gè)階段其變形特征有所差異。

關(guān)鍵詞：地鐵; 上軟下硬地層; 下穿工程; 圍巖變形; 近距離

我國(guó)大中型城市規(guī)模不斷擴(kuò)展，不僅地面建筑日益密集趨于飽和，而且地下空間也不斷擴(kuò)展。為了減小對(duì)既有構(gòu)筑物的影響而進(jìn)行新線選址日趨困難，致使新建地鐵區(qū)間隧道工程穿越既有構(gòu)筑物的概率越來(lái)越大[1]。當(dāng)隧道建設(shè)改變?cè)械貙討?yīng)力狀態(tài)，從而引起地層產(chǎn)生位移，造成地表既有構(gòu)筑物變形失穩(wěn)[2]。Ramón[3]基于非接觸測(cè)量技術(shù)，針對(duì)圓形隧道下穿既有構(gòu)筑物的變形特征，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析研究。Maria等[4]采用數(shù)值計(jì)算分析方法，結(jié)合下穿工程實(shí)例，研究了隧道圍巖變形規(guī)律。曹瑞瑯等[5]結(jié)合武廣高鐵尖峰頂隧道下穿地表高壓輸電線塔的工程實(shí)踐，開(kāi)展了隧道施工前后地層變形監(jiān)測(cè)和分析，提出了控制大變形的工程措施。李棟等[6]依托重慶花卉園地鐵隧道施工，基于隧道穩(wěn)定性關(guān)鍵影響因素和數(shù)值模擬，提出了圍巖變形控制措施。朱正國(guó)等[7]基于ANSYS二維有限元方法，對(duì)新建鐵路隧道下穿既有鐵路工程開(kāi)展了數(shù)學(xué)模擬計(jì)算，探討了不同最大等效應(yīng)力、地質(zhì)條件、隧道埋深、隧道結(jié)構(gòu)形式等96種工況下的地表沉降特征。雖然國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了城市地鐵下穿既有構(gòu)筑物的相關(guān)研究工作，但是，針對(duì)上軟下硬地層這種特殊地質(zhì)條件與運(yùn)營(yíng)高速公路變形控制的高標(biāo)準(zhǔn)方面的研究成果較少。筆者依托深圳地鐵7號(hào)線礦山法隧道下穿廣深高速公路工程，在綜合考慮了上軟下硬地層的地質(zhì)條件、通過(guò)對(duì)比分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所得到的結(jié)論，研究了礦山法地鐵隧道下穿既有高速公路的圍巖變形機(jī)理與地表沉降規(guī)律。

1工程概述

深圳地鐵7號(hào)線安托山站～農(nóng)林站區(qū)間段下穿廣深高速4次(表1)。該段下穿區(qū)域主要地層為第四系全新統(tǒng)人工填筑土、礫(砂)質(zhì)粘性土，下伏基巖為燕山期花崗巖。區(qū)間隧道埋深較大，穿越地層多為強(qiáng)～微風(fēng)化巖體，施工難度很大。其中下穿廣深高速地層及環(huán)境的基本特點(diǎn)為：原狀殘積土為厚達(dá)16～20 m的砂質(zhì)土及雜填土、高速公路填土路基及路面結(jié)構(gòu)，隧道洞身上部為殘積土(局部是回填土)，下部為巖石且富含水，嚴(yán)重影響穿越工程施工及廣深高速公路的安全。

2所采用的關(guān)鍵施工技術(shù)

表1　安～農(nóng)區(qū)間隧道下穿廣深高速公路匯總表

為了保證新建隧道順利、安全地下穿廣深高速公路且不對(duì)廣深高速公路運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生任何影響，隧道施工建設(shè)采用“大管棚+全斷面注漿+爆破振速控制”組合方式進(jìn)行施工。

3現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析

3.1現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為了及時(shí)收集、反饋和分析周圍環(huán)境及支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工中的變形信息，實(shí)現(xiàn)信息化施工，確保施工和周圍環(huán)境安全。根據(jù)施工圖、設(shè)計(jì)單位確定的監(jiān)測(cè)內(nèi)容要求，隧道內(nèi)每隔5 m設(shè)置1個(gè)斷面，每斷面布設(shè)3個(gè)拱頂沉降點(diǎn)，1對(duì)凈空收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)；若分臺(tái)階開(kāi)挖，則上、下臺(tái)階各設(shè)置一對(duì)收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，特殊地段加密(表2)。

地面沉降監(jiān)測(cè)采用數(shù)字水準(zhǔn)儀及配套銦瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺，隧道內(nèi)拱頂沉降與凈空收斂采用全站儀自由測(cè)站法測(cè)量。圖1給出了監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)過(guò)程。

表2　監(jiān)測(cè)內(nèi)容表

圖1　監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)示意圖

3.2數(shù)據(jù)分析

圖2　監(jiān)測(cè)斷面關(guān)鍵部位初襯內(nèi)力隨時(shí)間變化特征圖

圖2給出了監(jiān)測(cè)斷面關(guān)鍵部位初襯內(nèi)力隨時(shí)間變化特征曲線。由圖2可知：該斷面初支內(nèi)力在開(kāi)挖后一段時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)不穩(wěn)定的變化，但是，在開(kāi)挖一段時(shí)間后，初襯的軸力和彎矩均趨于穩(wěn)定。該隧道洞內(nèi)施工完成后圍巖最終趨于穩(wěn)定。圖3給出了下穿廣深高速小里程隧道拱頂沉降曲線。由圖3可知：(1) 左線小里程拱頂沉降最大值為21.4 mm，位于監(jiān)測(cè)斷面S/Xtt10+785左處；右線小里程拱頂沉降最大值為17.9 mm，位于監(jiān)測(cè)斷面S/Xtt10+780處。(2) 隨著隧道下穿進(jìn)尺不斷擴(kuò)大，其各拱頂沉降量逐漸增大，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。(3) 拱頂沉降變化曲線較為分散，拱頂沉降速率突變較小。(4) 左線隧道拱頂沉降量比右線隧道拱頂沉降量大，這是由于右線隧道開(kāi)挖對(duì)左線隧道拱頂沉降產(chǎn)生的施工效應(yīng)影響所致。

圖4給出了下穿廣深高速小里程隧道圍巖變形曲線。由圖4可知：(1) 圍巖收斂變形量隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增大。(2) 左線最大收斂點(diǎn)為ZS/X010+750，其變形值為8.7 mm；右線最大收斂點(diǎn)為YS/X010+750，其變形值為6.24 mm。(3)隨著下穿距離的增加，其隧道圍巖變形量逐漸增大；同時(shí)，左線受到右線開(kāi)挖的影響，其變形量相對(duì)較大。這是由于隧道近距離平行施工所產(chǎn)生的空間效應(yīng)影響。

圖3　下穿廣深高速小里程隧道拱頂沉降曲線圖

圖4　下穿廣深高速小里程隧道圍巖變形曲線圖

4結(jié)語(yǔ)

筆者依據(jù)深圳地鐵7號(hào)線礦山法隧道下穿廣深高速公路工程，綜合考慮了上軟下硬地層的地質(zhì)條件，通過(guò)對(duì)比分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所得到的結(jié)論，揭示了礦山法地鐵隧道下穿既有高速公路的圍巖變形機(jī)理與地表沉降規(guī)律。通過(guò)研究可知：

(1)下穿隧道初支內(nèi)力在開(kāi)挖后一段時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)不穩(wěn)定的變化，但是在開(kāi)挖一段時(shí)間后，初襯的軸力和彎矩均趨于穩(wěn)定。

(2)隨著隧道下穿進(jìn)尺不斷擴(kuò)大，其各拱頂沉降量逐漸增大，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。而左線隧道拱頂沉降量要比右線隧道拱頂沉降量大是由于右線隧道開(kāi)挖對(duì)左線隧道拱頂沉降產(chǎn)生的施工效應(yīng)影響所致。

(3)隨著下穿距離的增加，其隧道圍巖變形量逐漸增大；同時(shí)，左線隧道受到右線開(kāi)挖的影響，其變形量相對(duì)較大。這是由于隧道近距離平行施工所產(chǎn)生的空間效應(yīng)影響所致。

(4)隧道下穿既有高速公路引起的地表沉降變形基本上分為四個(gè)階段，即：初期的微小變形沉降階段、中期的沉降變形劇增階段和變形緩慢階段以及后期變形基本穩(wěn)定階段。

參考文獻(xiàn)：

[1]王劍晨, 張頂立, 張成平, 房倩, 蘇潔, 杜楠馨. 北京地區(qū)淺埋暗挖法下穿施工既有隧道變形特點(diǎn)及預(yù)測(cè)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2014, 33(5):947-956.

[2]胡群芳, 秦家寶. 2003-2011年地鐵隧道施工事故統(tǒng)計(jì)分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2013, 9(3):705-710.

[3]曹瑞瑯, 賀少輝, 李子峰. 偏壓富水軟巖大斷面隧道下穿建筑物地層變形及影響分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2012, 31(5):982-990.

[4]李棟, 何興玲, 覃樂(lè), 康勇, 周東平, 郭臣業(yè). 特大跨超淺埋地鐵隧道下穿天橋過(guò)程穩(wěn)定性控制[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2013, 32(S2):3637-3642.

[5]朱正國(guó), 李兵兵, 李文江, 朱永全. 新建鐵路隧道下穿既有鐵路施工引起的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué), 2011, 32(5):78-82.

周建偉(1964-)，男，四川資中人，工程師，從事施工監(jiān)測(cè)技術(shù)與管理工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-10-23

文章編號(hào):1001-2184(2015)06-0058-03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV554;TV221;TV223.1;U231+3

作者簡(jiǎn)介: