復(fù)雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降探討

李學(xué)文

(中國(guó)鐵建十六局集團(tuán)第二工程有限公司,天津市 300162)

復(fù)雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降探討

李學(xué)文

(中國(guó)鐵建十六局集團(tuán)第二工程有限公司,天津市 300162)

隨著現(xiàn)代城市化進(jìn)程的不斷加快,地下交通軌道網(wǎng)在城市交通建設(shè)中的比重不斷加大。城市地鐵隧道的建設(shè)必然會(huì)打破原來(lái)的地下巖土體的平衡狀態(tài),從而構(gòu)建新的平衡,地表沉降將會(huì)是地下軌道交通網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中必然面對(duì)的問(wèn)題。針對(duì)復(fù)雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降問(wèn)題進(jìn)行探討,提出較為有效的解決辦法。

復(fù)雜條件;城市地鐵隧道;施工;地表沉降

1　城市交通建設(shè)現(xiàn)狀

隨著城市建設(shè)進(jìn)程的加快及現(xiàn)代大都市的發(fā)展,城市交通緊張的狀況以及長(zhǎng)期擁堵的問(wèn)題日益嚴(yán)重。在城市基礎(chǔ)交通建設(shè)過(guò)程中,有軌交通占據(jù)較為有利的地位。在地下軌道交通網(wǎng)以及高架道路這兩種城市有軌交通的建設(shè)過(guò)程中,逐漸發(fā)現(xiàn)高架道路會(huì)引起較大的不利影響,例如沿路噪聲問(wèn)題、周?chē)貎r(jià)貶值問(wèn)題等。對(duì)比之下,地下軌道交通網(wǎng)的建設(shè)具有較大的優(yōu)勢(shì)。然而,在地下軌道交通網(wǎng)的建設(shè)過(guò)程中,主要面臨了對(duì)原有地下巖土體穩(wěn)定性的破壞,對(duì)新的穩(wěn)定性以及平衡性的構(gòu)建,在此過(guò)程中解決地表沉降問(wèn)題是主要的技術(shù)難題「1-3]。

2　復(fù)雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降相關(guān)問(wèn)題

以某市某區(qū)的地鐵站的隧道工程的建設(shè)施工為例。該工程位于兩個(gè)街道的交叉路口,其工程沿中街東西向布置,車(chē)站計(jì)算站臺(tái)中心里程為DK17+ 81.667，起訖樁號(hào)分別為DK17+880.567～DK18+ 13.8， 全長(zhǎng)223.2 m。該地下車(chē)站為雙層島式,主體結(jié)構(gòu)的跨度為22 m。有效站臺(tái)的中心處地面高程為51 m,軌面深埋為28.25 m,頂拱覆土為8.57 m,底板埋深為26.50 m,隧道寬度為21.59 m。該工程地層表面所覆蓋的土層十分松散軟弱,具有不穩(wěn)定性因素。在工程勘察中發(fā)現(xiàn),在該工程范圍內(nèi)有多處地層表現(xiàn)為非原土狀態(tài),明顯被擾動(dòng)過(guò)。經(jīng)過(guò)鉆孔勘測(cè),顯示該地區(qū)的地層結(jié)構(gòu)主要分為:晚更新統(tǒng)沖洪積相地層、沖洪積相地層、第四系全新人工堆積層,其土質(zhì)狀況為礫砂、粗砂、中砂、粉質(zhì)黏土、素填土,圍巖類(lèi)別為I 類(lèi)。場(chǎng)地地層自下而上分別為:可塑粉質(zhì)黏土,中密-密實(shí)圓礫，礴中密-密實(shí)礫砂，可塑粉質(zhì)黏土，中密-密實(shí)圓礫，中密-密實(shí)中、粗砂，中密-密實(shí)礫砂，稍密-中密中、粗砂，可塑粉質(zhì)黏土，松散-密實(shí)雜填土。地層情況較為復(fù)雜「4-6]。

2.1隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)研究

隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬研究主要是針對(duì)工程施工過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)通過(guò)相關(guān)的模擬軟件,進(jìn)行仿真模擬,選擇最佳的可行方案。目前主要的應(yīng)用軟件有多種,國(guó)內(nèi)主要采用的有2D-SIGMA、同濟(jì)曙光、3D-SIGMA等「7]。這些軟件具有一定的優(yōu)勢(shì),同時(shí)也具有一定的缺陷,還處在不斷的改進(jìn)與發(fā)展過(guò)程中。在隧道施工的過(guò)程中需要利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)隧道的支護(hù)過(guò)程以及開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行正確的模擬,研究支護(hù)的力學(xué)效果,進(jìn)而分析隧道施工引起的地表沉降機(jī)理。利用混合法來(lái)進(jìn)行隧道開(kāi)挖模擬,加載計(jì)算分析有限元模型,形成對(duì)應(yīng)的初始應(yīng)力場(chǎng),將其再讀入到有限元模型中,經(jīng)過(guò)技術(shù)處理后,將位移場(chǎng)值定為零,對(duì)施工過(guò)程及開(kāi)挖模擬,得出實(shí)際的應(yīng)力場(chǎng)以及位移場(chǎng)。圖1為挖掘過(guò)程示意圖。

可采用洞樁逆作法,先行在地下進(jìn)行導(dǎo)洞暗挖,完成之后在導(dǎo)洞內(nèi)施工架設(shè)剛性的拱頂縱梁、樁頂冠梁以及圍護(hù)邊樁。接下來(lái)進(jìn)行車(chē)站頂拱的施工。這樣,待扣拱完成之后,拱頂縱梁、樁頂冠梁以及圍護(hù)邊樁這三者將會(huì)構(gòu)成一個(gè)拱、梁、樁撐框架體系,并具有承載性能良好、剛度大的特點(diǎn)。在這一穩(wěn)定的體系下進(jìn)行向下開(kāi)挖工作,大大提高作業(yè)的安全性,可以有效限制結(jié)構(gòu)外地層的側(cè)向位移以及豎向位移,并有效控制地表沉降程度,減少對(duì)周?chē)ㄖ牟焕绊憽?/p>

圖1　挖掘過(guò)程示意圖

2.2復(fù)雜群洞隧道問(wèn)題

在地下隧道的建設(shè)與開(kāi)挖過(guò)程中,地下群洞是一種比較復(fù)雜但常見(jiàn)的施工情況。這類(lèi)施工對(duì)施工方案的選擇具有較大的依賴性,在群洞的開(kāi)挖過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)地表沉降問(wèn)題以及圍巖應(yīng)力重分布的問(wèn)題,需要對(duì)危險(xiǎn)的抗壓以及抗剪、受拉作用進(jìn)行計(jì)算分析,對(duì)開(kāi)挖方案進(jìn)行科學(xué)的選擇,才能保持圍巖整體的穩(wěn)定性,減少地面沉降現(xiàn)象的發(fā)生。在隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中引起的地表沉降具有普遍性。具體表現(xiàn)為進(jìn)行開(kāi)挖卸載的工作中,開(kāi)挖面土體向隧道內(nèi)移動(dòng)所引起的地表沉降、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形所引起的地表沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)背后的空隙閉合所引起的地表沉降、隧道結(jié)構(gòu)因整體下沉所引起的地表沉降。

2.3隧道施工過(guò)程中滲流-應(yīng)力耦合問(wèn)題研究

在隧道施工過(guò)程中滲流-應(yīng)力耦合問(wèn)題對(duì)隧道排水、支護(hù)以及縫隙的填充等方面都具有較大的影響,因此,需要對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行正確的求解,從而對(duì)施工過(guò)程中降水與失水對(duì)地表沉降的影響進(jìn)行研究。在含水地層中進(jìn)行隧道施工,需要對(duì)土顆粒骨架之間的水分進(jìn)行排除,這一措施直接會(huì)造成土體內(nèi)部孔隙水壓力變化以及滲透力作用造成的地表沉降現(xiàn)象。這一現(xiàn)象發(fā)生的原理是含水層內(nèi)地下水位下降,導(dǎo)致土層內(nèi)液壓降低,增加了粒間應(yīng)力(有效應(yīng)力)。另外,在隧道施工的過(guò)程中,土體顆粒伴隨著地下水而流失,同樣也會(huì)造成地表沉降現(xiàn)象的發(fā)生。在隧道開(kāi)挖的過(guò)程中,巖土體會(huì)受到較大的擾動(dòng)作用,土體骨架在改變之后會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的壓縮變形現(xiàn)象,在土體變形的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生固結(jié)沉降的地表沉降現(xiàn)象。由于流塑性黏土以及軟塑性黏土具有靈敏度與空隙比較大的特點(diǎn),在這一類(lèi)土體中發(fā)生的次固結(jié)沉降現(xiàn)象會(huì)持續(xù)多年以上。這屬于一種典型地層的沉降現(xiàn)象,其總的沉降量的比例最高可達(dá)35%。這一地表沉降現(xiàn)象也是隧道開(kāi)挖與使用過(guò)程中需要著重注意的。

3　控制地表沉降措施

(1)嚴(yán)格按照下導(dǎo)洞→上導(dǎo)洞→邊導(dǎo)洞→中導(dǎo)洞的小導(dǎo)洞開(kāi)挖順序進(jìn)行。下導(dǎo)洞超前上導(dǎo)洞10～20 m的范圍,從而減少群洞效應(yīng)。先施工的部分與圍巖之間形成具有整體穩(wěn)定性的受力體系,在后續(xù)施工的過(guò)程中,對(duì)先行施工結(jié)構(gòu)以及圍巖的影響將會(huì)大大的下降。

(2)在進(jìn)行扣拱以及導(dǎo)洞的施工過(guò)程中,需要嚴(yán)格按照先加固后開(kāi)挖順序,并及時(shí)采用正確的支撐方式,采取小導(dǎo)管超前預(yù)注漿措施,保證改良地層的密實(shí)膠結(jié)性能。

(3)在施工過(guò)程中,減少圍巖暴露時(shí)間以及暴露面積,實(shí)施快掘進(jìn)、短進(jìn)尺,注意混凝土的及時(shí)噴射,注意封閉成環(huán)的時(shí)間要盡早,盡量降低導(dǎo)洞對(duì)圍巖的影響程度。

(4)在施工過(guò)程中,進(jìn)行回填注漿時(shí),首先需要注意檢查回填注漿的質(zhì)量,對(duì)土體間的孔隙以及初期支護(hù)進(jìn)行及時(shí)填充,避免由于空隙的存在而引起地層變形。

(5)將部分開(kāi)挖的措施應(yīng)用于扣拱施工中,開(kāi)挖中盡量保持較小的跨度;對(duì)小導(dǎo)管加密工作進(jìn)行加強(qiáng)措施,從而保證對(duì)拱部土體注漿的質(zhì)量;增加格柵鋼架間距密度,使其符合施工要求;加快每循環(huán)尺的施工進(jìn)度,促進(jìn)施工周期的縮短。

(6)將計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到施工過(guò)程中,通過(guò)仿真模擬,對(duì)地表沉降進(jìn)行有效控制。

4　結(jié)語(yǔ)

綜上所述,基于地下交通軌道網(wǎng)在未來(lái)城市交通網(wǎng)建設(shè)中的發(fā)展優(yōu)勢(shì),結(jié)合地下交通軌道網(wǎng)的建設(shè)特點(diǎn),探討復(fù)雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降相關(guān)問(wèn)題,主要包括隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)研究、復(fù)雜群洞隧道問(wèn)題、隧道施工過(guò)程中滲流-應(yīng)力耦合問(wèn)題研究。通過(guò)分析提出相關(guān)的結(jié)論以及具體的措施,嚴(yán)格控制小導(dǎo)洞的開(kāi)挖順序,正確進(jìn)行扣拱以及導(dǎo)洞的施工。注意對(duì)圍巖進(jìn)行施工中的相關(guān)處理措施以及掘進(jìn)方法,提高回填處理過(guò)程中回填注漿的質(zhì)量,采取部分開(kāi)挖的扣拱施工方式,并將計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到施工過(guò)程中,為復(fù)雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降問(wèn)題的解決提供行之有效的建議,促進(jìn)城市交通的建設(shè)發(fā)展。

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U455

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1009-7716(2015)12-0199-02

2015-07-21

李學(xué)文(1973-)男,天津人,工程師,從事鐵路工程施工管理工作。