地鐵隧道下穿高速公路的圍巖變形機理研究

周 建 偉

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610000)

地鐵隧道下穿高速公路的圍巖變形機理研究

周 建 偉

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610000)

以深圳地鐵7號線礦山法隧道下穿廣深高速公路工程為例，根據(jù)上軟下硬地層的地質(zhì)條件，通過對比分析現(xiàn)場監(jiān)測所得到的結(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理與地表沉降規(guī)律，指出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)律可分為四個階段，每個階段其變形特征有所差異。

地鐵，地層，下穿工程，圍巖變形，近距離

我國大中型城市規(guī)模不斷擴展，不僅地面建筑日益密集趨于飽和，而且地下空間也不斷擴展。為減小對既有構(gòu)筑物的影響而進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)筑物的概率越來越大[1]。當(dāng)隧道建設(shè)改變原有地層應(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]基于非接觸測量技術(shù)，針對圓形隧道下穿既有構(gòu)筑物的變形特征，開展了現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析研究。Maria等[4]采用數(shù)值計算分析方法，結(jié)合下穿工程實例，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踐，開展了隧道施工前后地層變形監(jiān)測和分析，提出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。朱正國等[7]基于ANSYS二維有限元方法，對新建鐵路隧道下穿既有鐵路工程開展了數(shù)學(xué)模擬計算，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。雖然國內(nèi)外已開展了城市地鐵下穿既有構(gòu)筑物的相關(guān)研究工作，但是針對上軟下硬地層這種特殊地質(zhì)條件與運營高速公路變形控制的高標(biāo)準(zhǔn)方面的研究成果較少。為此，依托深圳地鐵7號線礦山法隧道下穿廣深高速公路工程，綜合考慮上軟下硬地層的地質(zhì)條件，通過對比分析現(xiàn)場監(jiān)測所得到的結(jié)論，研究礦山法地鐵隧道下穿既有高速公路的圍巖變形機理與地表沉降規(guī)律。

1 工程概況

深圳地鐵7號線深云村站—農(nóng)林站區(qū)間段下穿廣深高速4次，如表1所示。該段下穿區(qū)域主要為第四系全新統(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～微風(fēng)化巖，施工難度很大。其中，下穿廣深高速地層及環(huán)境的基本特點為：原狀殘積土厚達16 m～20 m的沙質(zhì)土及雜填土、高速公路填土路基及路面結(jié)構(gòu)，隧道洞身上部是殘積土(局部是回填土)，下部是巖石，并且富含水，嚴(yán)重影響穿越工程施工及廣深高速公路的安全。

表1 安—農(nóng)區(qū)間隧道下穿廣深高速公路匯總表

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

為了保證新建隧道順利安全下穿廣深高速公路，并且未對廣深高速公路運營產(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。

3 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測

為了及時收集、反饋和分析周圍環(huán)境及支護結(jié)構(gòu)在施工中的變形信息，實現(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)計單位確定的監(jiān)測內(nèi)容要求，隧道內(nèi)每5 m置1個斷面，每斷面布設(shè)3個拱頂沉降點，1對凈空收斂監(jiān)測點，若分臺階開挖，則上、下臺階各1對收斂監(jiān)測點，特殊地段加密，如表2所示。

表2 監(jiān)測內(nèi)容

地面沉降監(jiān)測采用數(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站法測量。

3.2 數(shù)據(jù)分析

圖1給出了監(jiān)測斷面關(guān)鍵部位初襯內(nèi)力隨時間變化特征曲線。由圖可知：該斷面初支內(nèi)力在開挖后一段時間內(nèi)呈現(xiàn)不穩(wěn)定的變化，但是在開挖一段時間后，初襯的軸力和彎矩均趨于穩(wěn)定，可知該隧道洞內(nèi)施工完成后，圍巖最終趨于穩(wěn)定。

圖2給出了下穿廣深高速小里程隧道拱頂沉降曲線。由圖可知：1)左線小里程拱頂沉降最大值為21.40 mm，位于監(jiān)測斷面S/Xtt10+785左處；右線小里程拱頂沉降最大值為17.90 mm，位于監(jiān)測斷面S/Xtt10+780處。2)隨著隧道下穿進尺不斷擴大，其各拱頂沉降量逐漸增大，最終達到穩(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要比右線隧道拱頂沉降量大，這是由于右線隧道開挖對左線隧道拱頂沉降產(chǎn)生的施工效應(yīng)影響所致。

圖3給出了下穿廣深高速小里程隧道圍巖變形曲線。由圖可知：1)圍巖收斂變形量隨著時間的增長而增大。2)左線最大收斂點為ZS/Xo10+750，其變形值為8.70 mm；右線最大收斂點為YS/Xo10+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，左線受到右線開挖的影響，其變形量相對較大。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。

4 結(jié)語

依托深圳地鐵7號線礦山法隧道下穿廣深高速公路工程，綜合考慮上軟下硬地層的地質(zhì)條件，通過對比分析現(xiàn)場監(jiān)測所得到的結(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理與地表沉降規(guī)律。通過研究可知：

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

2)隨著隧道下穿進尺不斷擴大，其各拱頂沉降量逐漸增大，最終達到穩(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，這是由于右線隧道開挖對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，左線受到右線開挖的影響，其變形量相對較大。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。

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。

[1] 王劍晨,張頂立,張成平,等.北京地區(qū)淺埋暗挖法下穿施工既有隧道變形特點及預(yù)測[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,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)計分析[J].地下空間與工程學(xué)報,2013,9(3):705-710.

[3] Argüelles-Fraga Ramón. Measurement planning for circular cross-section tunnels using terrestrial laser scanning[J].Automation in Construction,2013(31):1-9.

[4] Gaspari Giuseppe Maria, Quaglio Giovanni, Floria Vincenza. Simplified numerical method for tunnel design under seismic condition: Some examples about Istanbul Metro design, Kadikoy-Kartal Line[A].Proceedings of the 7th International Symposium on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground[C].2012：751-763.

[5] 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,2012,31(5):982-990.

[6] 李 棟,何興玲,覃 樂,等.特大跨超淺埋地鐵隧道下穿天橋過程穩(wěn)定性控制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2013,32(S2):3637-3642.

[7] 朱正國,李兵兵,李文江,等.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].中國鐵道科學(xué),2011,32(5):78-82.

Study on the surrounding rock’s deformation mechanism of metro tunnel undercrossing the existing highway

Zhou Jianwei

(SihohydroBureau7Co.,Ltd,Chengdu610000,China)

According to the tunnel by using mining method in Shenzhen metro line 7 undercrossing the Guangzhou to Shenzhen highway engineering, the comprehensive geological conditions of soft and hard strata is considered. Through comparison and analysis the results of field monitoring, the deformation mechanism of surrounding rack and rule of surface earth are revealed. And it can be obtained that the influence factors of existing structures’ deformation are the geological factor, construction technology factor and tunnel space factor. Then, the deformation rule of surface earth could be divided into four stages which each stage has different deformation characteristics.

metro, strata, undercrossing engineering, surrounding rock’s deformation, little distance

1009-6825(2015)30-0161-02

2015-08-11

周建偉(1964- )，男，工程師

U451.2

A