不同埋深條件下地鐵暗挖區(qū)間隧道施工對地層的擾動分析

王　飛，薛曉輝，劉盛輝

(陜西鐵路工程職業(yè)技術學院，陜西 渭南 714099)

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不同埋深條件下地鐵暗挖區(qū)間隧道施工對地層的擾動分析

王飛，薛曉輝，劉盛輝

(陜西鐵路工程職業(yè)技術學院，陜西 渭南 714099)

摘要：以北京軌道交通6號線一期暗挖區(qū)間隧道為工程背景，運用數(shù)值模擬技術研究了不同埋深條件下地鐵區(qū)間暗挖隧道施工對洞周地層的擾動背景，數(shù)值計算結果基本與實驗實測數(shù)據(jù)吻合，計算模型很好地反映了隧道的受力特點，揭示了隧道埋深與隧道拱頂?shù)膽ψ兓?guī)律，同時還發(fā)現(xiàn)地表深降與隧道埋深呈負相關性的規(guī)律，對同類工程有一定指導意義。

關鍵詞：地鐵區(qū)間；暗挖隧道；埋深；應力升高區(qū)；地表沉降槽

0引言

隨著北京地區(qū)軌道交通建設的快速發(fā)展，越來越多的地鐵區(qū)間隧道下穿城市建(構)筑物和市政橋梁道路。區(qū)間隧道開挖對周邊地層產(chǎn)生擾動，洞周地層應力場產(chǎn)生二次重分布，洞周地層位移使得周邊建(構)筑物產(chǎn)生差異沉降甚至開裂[1-3]。隧道埋深是地鐵暗挖區(qū)間隧道的重要影響因素，因此，對不同埋深條件下地鐵區(qū)間暗挖隧道對周邊地層的擾動進行研究十分必要。

多位學者對隧道埋深的影響進行研究，得出了一些有價值的結論。胡學兵、喬玉英[4]等通過數(shù)值分析的方法對隧道埋深和跨度對支護結構的穩(wěn)定性進行了分析。扈世民[5]采用室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬相結合的方法對不同埋深條件下圍巖壓力拱的狀態(tài)進行分析，對隧道開挖引發(fā)的應力場二次重分布進行了深入剖析。

以北京軌道交通6號線一期暗挖區(qū)間隧道為背景，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計相結合的方法，對不同埋深條件下地鐵區(qū)間暗挖隧道對洞周地層的擾動進行了研究，為類似工程提供借鑒和參考。

1工程概況

北京軌道交通6號線一期沿東西向穿越城區(qū)，東起草房站、西至五路居站，線路全長30.7 m。6號線一期地鐵區(qū)間均為暗挖隧道，主要穿越第四紀洪沖積物地層，主要包括黏土、砂粉土和卵石地層，如圖6所示，其中單洞單線暗挖區(qū)間施工占區(qū)間隧道的比例為62.4%。

圖1　6號線一期暗挖區(qū)間典型地質(zhì)斷面

北京地區(qū)為永定河沖積扇形地層的脊背處，整體上西高東底，主要為黏性土與砂性土互層，底部為圓礫、卵石地層。地下水主要為上層滯水、潛水和承壓水，抗浮水位表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性，即北部較高、南部較低。通過對北京軌道交通6號線一期區(qū)間勘察報告(詳堪)中各暗挖區(qū)間統(tǒng)計，抗浮水位相差不大，多為3～6 m。暗挖隧道施工前已采取降水措施，故不需考慮地下水的影響。

暗挖區(qū)間隧道采用單洞單線的馬蹄形斷面，隧道斷面開挖跨度為5.8 m、開挖高度為6.28 m。采用Φ42小導管超前支護，小導管長3.0 m，環(huán)向間距0.35 m，打設角度為15°，每榀打設；初期支護采用250 mm厚C25噴射混凝土+格柵鋼架間距500 mm+Φ6.5間距150 mm×150 mm單層鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)片搭接長度不小于150 mm；二襯采用C40模筑鋼筋混凝土，防滲等級不小于P10，隧道斷面及支護參數(shù)如圖2所示。

圖2　暗挖區(qū)間隧道斷面及支護參數(shù)

根據(jù)北京軌道交通6號線一期區(qū)間勘察報告(詳堪)及GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》，對隧道地層參數(shù)進行選取，見表1所示。

2數(shù)值計算模型建立

通過有限元差分程序FLAC3D建立不同隧道埋深的計算模型[6]，單洞單線區(qū)間隧道開挖寬度為5.8 m、開挖高度6.3 m，所選區(qū)間左右線間距均大于25 m，左右線相互影響較小。按照面積等效原則區(qū)間隧道等效直徑D=6.24 m，分別對比D、2D、3D、4D和5D隧道拱頂不同覆土厚度開挖對洞周地層的擾動，計算模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3　暗挖區(qū)間隧道網(wǎng)格劃分

選取區(qū)間隧道水平軸線方向為X軸，長50 m；選取區(qū)間隧道豎向軸線方向為Z軸，拱頂覆土厚度為D～5D、隧道拱底土層30 m；選取區(qū)間隧道線路方向為Z軸，取單位長度1 m。

區(qū)間地層選用摩爾庫倫彈塑性本構模型，初期支護與二次襯砌服從彈性應力應變關系。具體計算參數(shù)詳見表1。

3數(shù)值計算結果分析

3.1區(qū)間隧道開挖應力擾動分析

通過D、2D、3D、4D和5D隧道拱頂不同覆土厚度模型的計算，分析不同覆土厚度地表沉降的應力場變化規(guī)律，故提取隧道斷面應力云圖，如圖4～6所示。

圖4～6分別選取了隧道拱頂覆土D、3D和5D等3種工況下的應力場進行分析。選取區(qū)間隧道中線和水平軸線進行重點分析。隧道中心線方向拱頂洞周地層相同位置水平應力大于豎向應力，故最大主應力為水平應力，而水平軸線方向豎向應力為最大主應力，即在隧道中心線和水平軸線方向最大主應力方向產(chǎn)生了偏轉(zhuǎn)。

根據(jù)不同埋深條件下的應力云圖，對洞周地層最大主應力的量值和距隧道外輪廓的距離進行統(tǒng)計，見表2。

區(qū)間隧道開挖對洞周地層產(chǎn)生擾動，當拱頂覆土達到一定深度后，地層形成相對穩(wěn)定的承載結構。對不同埋深條件下隧道地層最大主應力進行統(tǒng)計，對比2個典型應力路徑最大主應力的數(shù)值和距隧道外輪廓的距離，發(fā)現(xiàn)隧道水平軸線方向最大主應力數(shù)值較大，且距隧道外輪廓的距離較小。

(a)豎向應力云圖(b)水平應力與圖

圖4　埋深D條件下區(qū)間隧道應力云圖/MPa

圖5　埋深3D條件下區(qū)間隧道應力云圖/MPa

圖6　埋深5D條件下區(qū)間隧道應力云圖/MPa

注：D為隧道開挖的等效直徑，m。

隨著隧道拱頂覆土的增大(從覆土厚度D→5D)，2個典型應力路徑最大主應力的量值持續(xù)增大，且增幅越來越大。最大主應力距隧道外輪廓的距離也逐漸增大，這說明隨著埋深的增大，應力升高區(qū)不斷向地層深部轉(zhuǎn)移。當隧道拱頂覆土達到4D后，隧道中心線方向即拱頂部位應力升高區(qū)范圍變化較小，主要集中在隧道拱頂上方7m附近，隧道拱頂覆土4D塑性區(qū)的發(fā)展驗證了這一點，如圖7所示。

圖7　埋深4D條件下隧道洞周塑性區(qū)分布

3.2區(qū)間隧道開挖位移擾動分析

地表沉降是表征隧道開挖引發(fā)地層位移對周邊環(huán)境影響的重要指標[7-9]。近年來，越來越多的地鐵區(qū)間暗挖隧道穿越城市核心區(qū)域。GB50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》[10]規(guī)定區(qū)間單洞單線隧道地表沉降不大于30mm，故選取地表沉降作為分析區(qū)間隧道開挖位移擾動的指標，如圖8所示。

圖8為不同埋深條件下地表沉降槽數(shù)值計算結果，可得以下結論：1) 不同埋深條件下地表沉降最大值均發(fā)生在隧道軸線上方，近似于正態(tài)分布；2)隨著埋深的增大，隧道開挖引發(fā)的地表沉降逐漸減小，當隧道埋深為5D時，地表沉降最大值為14.1mm；3)沉降槽的寬度系數(shù)i為表征地表沉降槽曲線的重要指標，隨著埋深的增大，沉降槽的寬度系數(shù)逐漸增大，二者呈現(xiàn)正相關性。

圖8　不同埋深條件下地表沉降槽數(shù)值計算結果

4現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比分析

以北京軌道交通6號線一期暗挖單洞單線區(qū)間實測數(shù)據(jù)為背景，選取2個典型區(qū)間斷面進行擬合分析，所選區(qū)間左右線間距均大于25m，左右線相互影響較小。

Peck曲線是基于暗挖隧道實測數(shù)據(jù)得出的地表沉降預測的經(jīng)驗公式，目前廣泛應用于北京地區(qū)地鐵暗挖區(qū)間和車站的地表沉降預測。

i=kH，

式中：R為開挖半徑；H為隧道拱頂覆土厚度；i為地表沉降槽的寬度系數(shù)；Vs為沿隧道軸線方向單位長度的地層損失。

韓煊、李寧、J. R. Standing對Peck曲線在北京地層的適應性進行了驗證，并提出了地表沉降槽的寬度系數(shù)i和地層損失率Vs的確定方法。地表沉降槽寬度為等效軸線埋深的一半，即

圖9　區(qū)間隧道1地表沉降擬合區(qū)間(埋深近1.4D)

圖10　區(qū)間隧道2地表沉降擬合區(qū)間(埋深近4.2D)

圖9～10為不同埋深單洞單線區(qū)間隧道根據(jù)擬合函數(shù)所得曲線，可得：1) 地表沉降槽曲線的最大值均發(fā)生在隧道軸線上方，近似于正態(tài)分布；2) 地表沉降槽曲線的最大值與隧道埋深呈負相關性。隨著隧道埋深的增大，地表沉降槽的寬度系數(shù)i和地層損失率Vs均隨之增大。3)數(shù)值計算與現(xiàn)場實測結果基本吻合。

5結語

隨著北京地區(qū)軌道交通建設的快速發(fā)展，越來越多的地鐵區(qū)間隧道下穿城市建(構)筑物和市政橋梁道路。采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)相結合的方法，分別對比D、2D、3D、4D和5D隧道拱頂不同覆土厚度開挖對洞周地層的擾動，可得以下結論：

1) 在隧道中心線方向拱頂洞周最大主應力為水平應力，在水平軸線方向豎向應力為最大主應力，即在隧道中心線和水平軸線方向最大主應力方向產(chǎn)生了偏轉(zhuǎn)。

2)對比2個典型應力路徑最大主應力的數(shù)值和距隧道外輪廓的距離，隧道水平軸線方向最大主應力數(shù)值較大，且距隧道外輪廓的距離較小。當隧道拱頂覆土達到4D后，隧道中心線方向即拱頂部位應力升高區(qū)范圍變化較小。

3) 地表沉降槽曲線的最大值均發(fā)生在隧道軸線上方，近似于正態(tài)分布。隨著埋深的增大，隧道開挖引發(fā)的地表沉降逐漸減小。

4) 地表沉降槽曲線的最大值與隧道埋深呈反相關性。隨著隧道埋深的增大，地表沉降槽的寬度系數(shù)i和地層損失率Vs均隨之增大。

5) 選取2個典型區(qū)間斷面進行擬合分析，所選區(qū)間左右線間距均大于25 m，左右線相互影響較小，數(shù)值計算與現(xiàn)場實測的結果基本吻合。

參考文獻

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The Analysis of Strata Disturbance by Mined Tunnel
Construction in Metro Sections in Different Burial Depth Conditions

WANG Fei, etc.

(ShaanxiRailwayInstitute,WeinanShaanxi714099,China)

Abstract：Taking the mined tunnel in first phase project of NO.10 line of Beijing metro as the project background, the numerical simulation technique is used in this article to study the strata disturbance of tunnel excavations under different buried depthes, and the results of numerical simulation are in agreement with the experimental data. The calculation model well reflects the tunnel stress characteristics, revealing the variation between tunnel buried depth and tunnel vault stress. Meanwhile, it has also revealed the the negative correlation rules between surface settlement and the tunnel depth, which has certain guiding significance for similar constructions.

Key words：metro sections; mined tunnel; burial depth; stress heightening area; settlement trough

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8984(2016)01-0025-05

中圖分類號：O319.56

作者簡介：王飛(1982-)，男(漢)，山西運城，碩士，講師

基金項目：陜西鐵路工程職業(yè)技術學院項目基金(2014-60)

收稿日期：2016-01-04

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.006

主要研究建筑工程施工及工程管理。