隧道開挖沉降問題的分析與控制

溫曼

[摘 要]隧道開挖過程中一般會引起明顯的地表沉降，掘進過程中，如不及時分析隧道沉降的主要原因，并采取適當?shù)目刂拼胧?，則將會給隧道施工帶來重大安全質(zhì)量隱患。文章結(jié)合工程實例，通過計算模型的建立及分析，最終對隧道開挖沉降問題與控制進行了討論。

[關(guān)鍵詞]隧道開挖；沉降；問題分析與控制措施

文章編號：2095-4085（2015）03-0050-02

對于隧道開挖地表工后沉降預(yù)測，目前研究的方法也很多，但沒有一個統(tǒng)一的標準。比如借助施工現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論進行工后沉降預(yù)測，也有利用邊界元方法對工后沉降進行計算，本文主要結(jié)合工程實例，通過計算模型的建立與分析，對進一步了解隧道開挖后沉降變化趨勢及控制具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工程概況

某地鐵隧道設(shè)計全長1268.4 m，隧道埋深28m，隧道施工采用盾構(gòu)法。隧道穿越地層多為粉質(zhì)粘土和淤泥土質(zhì)。地表水不發(fā)育，地下水主要為孔隙水和基巖風化層空隙水，隧道洞身位于地下水位以下，地質(zhì)條件非常復(fù)雜。

2 計算模型建立

2.1 本構(gòu)模型選取

土體具有明顯的非線性特征，采用Mohr-Coulomb彈塑性模型對土體材料進行模擬中。MohrCoulomb屈服面函數(shù)為

F =Rmcq- ptan-c=0 （1）

式中：是q-p應(yīng)力面上Mohr Coulomb屈服面的傾斜角，稱為材料的摩擦角；c是材料的粘聚力；Rmc是控制屈服面在Ⅱ平面上的形狀函數(shù)。圖1給出了Mohr- Coulomb屈服面在子午面和兀平面上的形狀，由圖可以比較其與Drucker - Prager屈服面、Tresca屈服面、Mises屈服面之間的對比關(guān)系。

由圖1可見，Mohr-Coulomb屈服面存在尖角，如采用相關(guān)的流動法則（即塑性勢面與屈服面相同），將會在尖角處出現(xiàn)塑性流動方向不是唯一的現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)值計算的煩瑣、收斂緩慢。

2.2 模型參數(shù)選取

根據(jù)Gun（1997）建議，整個模型長取100 m，高取60 m。計算中，對模型兩側(cè)水平方向進行約束，對模型底邊進行豎向約束。計算單元選擇平面應(yīng)變孔壓單元，根據(jù)網(wǎng)格劃分原則，對于應(yīng)力變化比較集中的隧道開挖面洞口區(qū)域網(wǎng)格劃分較密，而對于距離隧道開挖面較遠的應(yīng)力變化不是很明顯的區(qū)域網(wǎng)格劃分較粗。同時，開挖面洞口區(qū)域采用掃掠網(wǎng)格劃分技術(shù)（ sweep），而對于開挖面較遠的區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)（ structure）。隧道開挖計算主要是在靜態(tài)分析步中完成。第一步，采用生死單元原理，殺死襯砌及注漿等代層單元，土體進行初始應(yīng)力場平衡；第二步，對開挖面土體進行折減，折減量為40%；第三步，激活襯砌及注漿等代層單元；第四步，殺死開挖面土體單元，整個計算過程結(jié)束。由于土體材料的復(fù)雜性，計算中需要做出以下假設(shè)：整個計算過程僅考慮在重力場作用下進行，并認為土體材料是各項同性的。計算所需參考數(shù)據(jù)如表1所示：

2.3 計算結(jié)果分析

隧道開挖后，圍巖變形主要集中在隧道開挖面洞口附近區(qū)域，且洞口上方形成一個沉降“槽”，最大變形值位于隧道開挖面洞口拱底區(qū)域，最大變形值為40 mm左右；洞口兩側(cè)圍巖變形較洞口上下區(qū)域圍巖變形小，且變形的值基本在15 mm左右。

隧道開挖后，橫向地表影響區(qū)域為距離隧道中線一側(cè)0-18 m，其中主沉降區(qū)為0-14 m左右，占主沉降的78%，最大沉降值位于隧道開挖面正上方地表，最大沉降值為4 mm左右；隧道開挖100天后，橫向地表影響的區(qū)域變化不大，主沉降區(qū)略微增加，隧道上方地表最大沉降值為5 mm左右，工后沉降累計為Imm左右，累計沉降量較小，僅增加了25%。

3 隧道沉降變形的控制對策

3.1 嚴格執(zhí)行18字原則

淺埋暗挖法在隧道施工中占有重要地位，是比較常用的具有我國特色的隧道施工方法。施工中的質(zhì)量控制應(yīng)嚴格按照管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測18字方針，除了領(lǐng)會期字面的意義，還應(yīng)嚴格貫徹在施工中并掌握對工法的應(yīng)用程度，以及后期的質(zhì)量控制。

3.2 控制地下水的排放

嚴格減少或限制地下水的抽排，并確保在工作面穩(wěn)定正常開挖的條件下進行。根據(jù)情況采取止水帷幕等阻斷地下滲水通道，封堵部分地下水；縮短洞內(nèi)排水的抽排時間，工作面開挖過后及時停止；穩(wěn)定工作面應(yīng)采取斷面注漿、噴混凝土等措施；并根據(jù)具體地層條件，及時調(diào)整小導(dǎo)管、格柵支護參數(shù)、注漿參數(shù)，確保注漿效果。

3.3 兩隧道之間保持一定的開挖距離

當兩隧道的中心線距不大于3D時，必須考慮隧道作用的疊加影響，相對于沉降影響范圍較大的軟弱圍巖，建議開挖后的兩工作面距離控制在30m以上。

3.4 加強初期支護

對于淺埋暗挖隧道總剛度一定的條件下，控制地表沉降的有效措施之一就是要增大初期支護剛度。而初期支護采取混凝土噴層的措施，使開挖后地表沉降及隧道的穩(wěn)定性得到有效控制及改善。但僅靠此種方法還不能有效控制地表沉降，實際施工中必須考慮超前支護及鋼架，使沉降現(xiàn)象明顯得到改善。

3.5 合理安排二次襯砌時間

隧道的軟弱富水地層會隨著滲排水出現(xiàn)大范圍沉降，我們應(yīng)及時實施二次襯砌保證軟土隧道地層的穩(wěn)定性，初期支護與二次襯砌間設(shè)防水層防水并及時填充兩者之間的空隙、空洞等。在施工過程中，每開挖循環(huán)進尺50 cm就開始支護。

4 結(jié)束語

隧道開挖施工中當不得不穿越圍巖條件較差地段時，首先就是要考慮確定適合地層條件的施工方法、縮短開挖進尺，控制好開挖距離，處理好降排水、施工與地表沉降三者的關(guān)系，另外就是以增大支護初期剛度，以控制地表沉降。