地鐵連拱隧道變形及地面沉降控制研究

■ 徐向明

地鐵連拱隧道變形及地面沉降控制研究

■ 徐向明

結合深圳地鐵7號線工程實踐，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結合的方法，對地鐵連拱隧道關鍵點的位移和應力分布進行研究。建立三維數(shù)值計算模型，對雙側壁法各施工步序進行逐步模擬，模擬結果顯示：對于隧道變形，施工中先期開挖上拱為最不利工況；對于地面沉降，主要沉降區(qū)域為離左右線中心線對應地表點左右60?m的區(qū)域。為對隧道的受力和變形進行動態(tài)反饋預測，布設了施工監(jiān)測點，主要監(jiān)測項目有隧道收斂和拱頂下沉、地表沉降、鋼架及襯砌應力。為保障隧道安全，可采取超前大管棚支護和設置橫向支撐等主動措施及袖閥管補償注漿等被動措施。實踐證明，中隔墻加設臨時側向支撐有利于控制初支變形，大管棚更有利于控制地表沉降，地面跟蹤注漿可在沉降超限的情況下采用。

深圳地鐵；連拱隧道；變形控制；地面沉降；數(shù)值模擬；現(xiàn)場實測；加固措施

0 引言

隨著城市隧道與地鐵建設的興起，大量礦山法隧道穿越城市建成區(qū)，相應的工程自身風險和與之引起的環(huán)境問題引起越來越多的關注。由于設計中受線路影響，區(qū)間在左右線分離或交匯斷面轉化處往往采用連拱隧道。連拱隧道的結構受力復雜，開挖面積與跨度大，不但淺埋時存在巨大工程風險，深埋時因形變壓力大、擠壓變形嚴重，也存在較大施工風險。隧道的施工會對上覆地層產生撓動，地表產生的移動和變形較大時，往往又會引起臨近地上已有建筑物、構筑物的開裂、沉降傾斜等問題，這些現(xiàn)象對于連拱隧道尤為明顯。結合深圳地鐵7號線工程實踐，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結合的方法，對關鍵點的位移和應力分布進行研究，提出地鐵連拱隧道關鍵支護設計方法和地面沉降控制措施，為地鐵連拱隧道設計提供技術支持。

1 研究現(xiàn)狀

目前，對連拱隧道的研究主要集中在鐵路與公路部門，主要研究手段有模型試驗和數(shù)值模擬方法。隨著計算機技術的快速發(fā)展，大型通用有限元程序大量涌現(xiàn)，這些計算方法都能解決隧道圍巖非線性問題，包括彈塑性、粘彈性、模態(tài)分析等相關的各向異性問題[1]。盧耀宗與楊文武利用非連續(xù)變形數(shù)值分析軟件UDEC模擬蓮花山大跨度連拱隧道的施工過程，提出連拱硬巖隧道中隔墻巖柱跳槽式開挖的施工方案；夏才初與劉金磊利用有限元法分析相思嶺連拱隧道中墻應力，得到確定中墻應力較為準確的圍巖壓力計算方法，并分析了圍巖彈性抗力對連拱隧道中墻應力的影響[2]。

從已有文獻來看，國內對小間距連拱隧道多采用二維有限元分析，并且大多是公路隧道及鐵路隧道，對城市地鐵隧道相關研究涉及較少。城市隧道一般都會穿過人口密集、交通繁忙、地面建筑物林立的繁華地段，這對施工引起的地表沉降變形的控制要求很高。特別是覆蓋層厚度較小時，隧道施工過程中，圍巖的位移變化很大程度上反應在地表沉降上，大跨度的連拱隧道對這種現(xiàn)象尤其敏感。因此，對地表沉降的研究顯得格外重要[3]。

2 數(shù)值模擬模型

2.1 建模概況

深圳地鐵7號線工程深云—安托山區(qū)間位于深圳市南山區(qū)及福田區(qū)。區(qū)間起訖里程為DK8+248．279—右DK9+766．355，長1 518．076 m。其中DK8+326．3—DK8+357．0區(qū)段為分離式連拱隧道設計，單洞隧道開挖凈寬為16．20 m、凈高為12．45 m，左右兩隧道凈距不足2 m，連拱隧道段長30．7 m。連拱隧道主要位于中、微風化巖層，拱頂位于全、強風化地層。隧道埋深13．5～19．5 m。隧道距北環(huán)大道較近（約20 m），若處理不當可能對周邊道路造成一定影響或破壞。

以該區(qū)段實際情況為依據(jù)建立三維數(shù)值計算模型，模型上邊界為地表，底邊界取隧道底以下30 m（約2H，H為主洞矢高），寬度取120 m（約7D，D為單洞跨度），線路縱向考慮邊界效應取30 m。建立的計算模型見圖1。

計算中采用不同本構模型模擬不同材料，對于襯砌、中墻等應用線彈性模型，各層土體采用莫爾-庫侖（M-C）模型，圍巖物理力學參數(shù)見表1。區(qū)間隧道的初襯、二襯采用板單元模擬，錨桿采用植入式桁架單元模擬，注漿體采用改變材料力學參數(shù)來實現(xiàn)[4]。連拱隧道初期支護模型見圖2。

2.2 施工過程模擬

根據(jù)施工工序示意圖（見圖3），數(shù)值分析中對雙側壁法各施工步序進行了模擬，具體施工過程為：

（1）中導洞采用雙側壁導坑開挖。開挖前一次超前注漿3 m，開挖每進尺2．0 m進行一次注漿。

圖1 連拱隧道計算模型

表1 圍巖物理力學參數(shù)

圖2 連拱隧道初期支護模型

圖3 施工工序示意圖

（2）中導洞初噴，立鋼架掛網(wǎng)，打設錨桿，噴射混凝土后回填灌注小導洞后的墻后空間。

（3）模擬開挖主洞1部，開挖每循環(huán)進尺1．0 m，增加殼體模擬臨時中隔壁，并完成左半部初期扣拱支護及仰拱封閉。

（4）模擬開挖主洞2部，落后1部5 m，開挖每循環(huán)進尺1．0 m，增加殼體模擬臨時中隔壁，并完成右半部初期扣拱支護及仰拱封閉。

（5）模擬開挖主洞3部，落后2部5 m，開挖每循環(huán)進尺1．0 m，增加殼體模擬臨時中隔壁，并完成仰拱封閉。

（6）模擬開挖主洞4部，落后3部7 m，開挖每循環(huán)進尺1．0 m，增加殼體模擬臨時中隔壁，并完成仰拱封閉。

（7）分段（10 m）拆除底部中隔壁殼體，激活二襯底板結構單元。

（8）分段（10 m）拆除上部臨時支護殼體，激活二襯邊墻和拱頂結構單元。

計算中重點關注以下幾個關鍵施工步序，即：中導洞施工、左上臺階施工、右上臺階施工、左下臺階施工、右下臺階施工、左上拱施工、右上拱施工、左下拱施工、右下拱施工，所有結果也按上述步驟進行提取。

3 數(shù)值模擬結果與分析

3.1 支護變形分析

雙側壁法9個關鍵步序引起的支護結構變形見圖4。通過計算可知，拱頂處是施工的薄弱環(huán)節(jié)。最大豎向變形在拱頂處，為27．15 mm（下沉）；其次出現(xiàn)在仰拱處，最大變形量為13．44 mm（隆起）。最不利工況出現(xiàn)在左上拱施工，拱頂最大變形量從拆撐前的11．21 mm變化到24．78 mm，占總變形量的49%；上臺階拱腳處出現(xiàn)水平位移，為12．73 mm，占總水平變形量的87%。隨著單線掌子面開挖的推進，既有結構內力中彎矩及大部分位置的軸力變化不明顯，只有靠近單線側的拱腰處變形較明顯。

圖4 各施工工況初支變形云圖

根據(jù)位移矢量圖（見圖5）可知，在埋深工況下，毛洞的洞周變形逐漸轉為兩隧道中巖墻附近的擠壓變形及拱頂沉降。隨著分部開挖，兩洞中巖墻附近的擠壓變形逐漸由集中在拱肩向下變化，即拱肩到拱腰均有較大的擠壓變形[5]。

3.2 地面沉降分析

從數(shù)值模擬結果來看（見圖6、圖7），施工過程最大沉降為27．75 mm，地表最大位移與開挖步序有關，由于左洞進尺大于右洞，其受左側開挖的影響較右側明顯，相對來說在右側開挖以后地表最大位移有減少趨勢。在大面積開挖左上拱的過程中，地表位移變化較大。當左右洞施作完畢后，最大沉降量出現(xiàn)在左右線間，為左右線沉降量的累加值。

由于模型中僅為支護變形引起的沉降，未考慮地層失水造成的地面沉降，因此實際沉降值可能超過控制值，需采取輔助措施以控制周邊環(huán)境沉降。

圖5 位移矢量圖

圖6 連拱隧道施工地層位移云圖

圖7 地表橫向沉降圖

從地表橫向位移得出（見圖7），在隧道開挖過程中地面沉降范圍主要為左右線中心線對應地表點左右60 m的區(qū)域內（1．5D）。分塊分部開挖會對地層造成多次擾動，從而產生的地面沉降不斷疊加。其中中導洞開挖引起的沉降量占總沉降量的12%，左上下臺階開挖后地面沉降量占總沉降量的23%，右上下臺階開挖后地面沉降量占總沉降量的35%，左上拱開挖后施工引起的地表沉降值占其總沉降值的82%。其后地面沉降逐漸趨緩，地表的最終沉降值為27．75 mm。

由地表縱向沉降曲線可知（見圖8），隧道開挖地面沉降縱向影響范圍在掌子面前方20 m及掌子面后方。在兩洞施工過程中，各工序沉降量變化趨勢與橫斷面相同。掌子面的推進對單線隧道自身結構的強影響區(qū)域為距研究斷面起6～9 m，弱影響區(qū)域為9～30 m，即掌子面推進到距研究斷面30 m后，研究斷面的沉降量已趨于穩(wěn)定。

圖8 地表縱向沉降圖

4 現(xiàn)場監(jiān)測和加固措施

4.1 監(jiān)控量測的實施

為對設計和施工進行指導，及時反映支護情況和圍巖動態(tài)過程，對隧道的受力和變形進行動態(tài)反饋預測，7號線深云—安托山區(qū)間在施工過程中根據(jù)規(guī)范和設計要求布設了施工監(jiān)測。主要監(jiān)測項目有隧道收斂和拱頂下沉、地表沉降、鋼架及襯砌應力。

隧道收斂和拱頂下沉是在預設點的斷面隧道開挖爆破以后，沿著隧道周邊的拱頂和邊墻部位各埋設一個球頭測樁（布點見圖9）。地面沉降是在隧道開挖縱、橫向1．5倍埋深范圍內的區(qū)域埋設測點，利用高精準水準儀，對測點進行監(jiān)測（布點見圖10）。埋設測點時，將長的中螺紋鋼筋打入地表土層內，頂面用紅漆涂一個醒目標志，便于辨認和保護。

4.2 現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，隧道收斂和拱頂下沉隨時間呈緩慢變化—急劇增加—區(qū)域穩(wěn)定3個階段，各測點隧道洞身變形見圖11。其中中導洞施工后，各個分部的開挖和工序轉換過程中的沉降值為29 mm，占總沉降（41 mm）的大部分。左上拱施工，拱頂最大變形速率為3．2 mm/d，最大變形值21 mm，占總變形量的51%，與數(shù)值模擬規(guī)律基本一致。隧道洞周變形呈拱頂最大、內側拱腰次之、仰拱最小的規(guī)律。左拱腰圍巖最大位移速率和最大位移量均比右拱腰大，一方面是由于左側偏壓的影響，另一方面也說明開挖左上拱釋放了大部分應力。

圖9 隧道變形測點布置圖

圖10 地表變形測點布置圖

圖11 各測點隧道洞身變形圖

圖12 各測點地面沉降變形圖

開挖階段地面沉降沿水平方向呈Peck沉降槽規(guī)律（見圖12），與數(shù)值模擬計算結果基本一致。發(fā)生沉降范圍在隧道中心軸線70 m范圍內，距離中心越近沉降值越大；地表沉降左洞明顯大于右洞，且越往左沉降越明顯。其中左洞拱頂兩側的沉降要大于洞頂，說明拱頂相對穩(wěn)定但拱腰需加強剛度。采取先外后內的開挖順序對中間巖柱范圍的圍巖擾動較大。

4.3 加固措施

根據(jù)監(jiān)測，隧道初支及地面沉降變化較大。隧道自身風險和環(huán)境風險較高時，需要采取相應的輔助措施，以保證隧道自身和周邊環(huán)境的安全。輔助措施一般可分為主動措施和被動措施。

結合數(shù)值模擬結果，隧道初支最大變形發(fā)生在拱頂下沉及中巖墻附近的擠壓變形處。因此設計采用的主動措施主要有超前大管棚支護和設置橫向支撐。當周邊建筑物沉降超預警值時，采用袖閥管補償注漿的被動措施（見表2、圖13）。

通過計算可知，超前大管棚可以有效控制初支變形和地面沉降；加設橫向支撐對初支變形，尤其是水平位移，有積極的控制作用，但對地面沉降控制有限；地面追蹤注漿可以控制地面沉降（見表3）?？梢?，通過輔助加固措施，初支和地表沉降值明顯減少，還縮短了前后影響距離。對于復雜工況下連拱隧道開挖，應重視主動加固措施，提高隧道自身安全性，控制開挖沉降量，地面加固可作為在沉陷超限情況下的補救措施。

表2 輔助措施計算工況

圖13 地層縱向沉降等值線圖

表3 加固措施計算結果

5 結論

通過三維數(shù)值模擬計算分析，并結合深圳軌道交通7號線現(xiàn)場量測和工程實例，對小間距連拱隧道各工序下初支變形和地面沉降變化規(guī)律及控制技術進行研究，得到以下結論：

（1）施工過程中先期開挖上拱時為最不利工況，此時毛洞的洞周變形逐漸轉為兩隧道的中巖墻附近的擠壓變形及拱頂沉降。

（2）從隧道地表橫向位移來看，施工過程中地表主要沉降區(qū)域為離中心線對應地表點左右1．5倍開挖洞徑范圍?？v向上掌子面后方30 m范圍沉降量已趨于穩(wěn)定。

（3）中隔墻加設臨時側向支撐有利于控制初支變形；大管棚作為主動措施更有利于控制地表沉降；地面跟蹤注漿可作為輔助措施在沉降超限的情況下采用。

[1] 鐵道綜合技術研究所． 鐵道構造物等設計標準·同解說（シ－ルドトンネル）[M]． 日本：丸善株式會社，1997．

[2] 潘昌實． 隧道力學數(shù)值方法[M]． 北京：中國鐵道出版社，1995．

[3] 王明年，張建華． 工程措施對控制隧道圍巖變形的力學效果研究[J]． 巖土工程學報，1998，20(5)：27-30．

[4] 王明年，關寶樹，何川． 三車道公路隧道在不同構造應力作用下的力學行為研究[J]． 巖土工程學報，1998，20(1)：51-55．

[5] MAIR R J． Ground movement around shallow tunnels insoft clay[J]． Tunnels and Tunnelling，1982(6)：33-38．

徐向明：深圳市龍崗區(qū)城市建設投資有限公司，高級工程?師，廣東?深圳，518100

責任編輯李鳳玲

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