大斷面黃土隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工誘發(fā)地表沉降及隧道變形規(guī)律研究

任建喜 王 麗 王 江 王東星 劉東洋 劉康輝 程 遠(yuǎn)

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,710054,西安∥第一作者,教授)

大斷面黃土隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工誘發(fā)地表沉降及隧道變形規(guī)律研究

任建喜 王 麗 王 江 王東星 劉東洋 劉康輝 程 遠(yuǎn)

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,710054,西安∥第一作者,教授)

以西安地鐵3號(hào)線某區(qū)間雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道工程為依托,采用FLAC3D模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方式,研究雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工引起的地表及隧道變形規(guī)律。研究結(jié)果表明:地表橫向沉降曲線關(guān)于隧道中軸線對(duì)稱分布,影響范圍左右各30 m，可見(jiàn)，上導(dǎo)洞的開(kāi)挖是造成地表沉降的主要原因；采用超前小導(dǎo)管注漿加固土體,有效控制了拱頂下沉；隧道開(kāi)挖后兩幫收斂值迅速增大,開(kāi)挖面超前監(jiān)測(cè)斷面20 m時(shí)收斂趨于穩(wěn)定；模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好,說(shuō)明FLAC3D數(shù)值模擬軟件能有效預(yù)測(cè)地層變形。

大斷面黃土隧道; 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法; 地表沉降; 變形規(guī)律; 數(shù)值模擬

地鐵隧道淺埋暗挖法施工時(shí)將不可避免的擾動(dòng)原土體,造成圍巖變形和地表沉降[1-2]。城市建筑物密集,嚴(yán)格控制隧道開(kāi)挖造成的地表沉降等具有重要意義[3～4]。西安地處黃土地區(qū),地鐵3號(hào)線某區(qū)間為滿足停車線等要求,其凈空斷面面積為69.7 m2,屬大斷面隧道。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)黃土地區(qū)隧道開(kāi)挖引起的地層變形規(guī)律進(jìn)行了一系列的研究,取得了一定的成果。文獻(xiàn)[5]采用數(shù)值模擬的方法研究了淺埋暗挖法地鐵隧道施工引起的地層空間變位;文獻(xiàn)[6]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式研究了黃土隧道開(kāi)挖引起的地表下沉和圍巖變形;文獻(xiàn)[7]研究了黃土隧道開(kāi)挖對(duì)周圍土體變形的影響;文獻(xiàn)[8]研究了大斷面公路隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的優(yōu)缺點(diǎn)及其施工要點(diǎn)。

上述研究為隧道淺埋暗挖法施工提供了一定的參考,但由于各地區(qū)地質(zhì)情況差異較大,且在黃土地區(qū)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法應(yīng)用較少,因此有必要進(jìn)行相關(guān)研究。以西安地鐵3號(hào)線某區(qū)間為工程依托,采用FLAC3D數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方式,研究黃土地區(qū)地鐵隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工引起的地表沉降和隧道變形規(guī)律。

1 工程背景

1.1 工程概況

西安地鐵3號(hào)線胡家廟站—石家街站區(qū)間暗挖段位于西安市金華北路地下,其沿線管線眾多,人流車流密集,且線路穿越f3、f朝陽(yáng)門地裂縫。為了滿足停車線等工程要求,隧道斷面尺寸較大。這在一定程度上增加了施工難度。為確保工程安全施工,研究決定胡家廟站—石家街站K31+929.298—K32+086.196區(qū)間左線采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工,并采用超前大管棚和小導(dǎo)管注漿加固土體。隧道埋深為7.5～10.5 m,其地質(zhì)情況復(fù)雜,工序繁雜,施工難度較大。建成后可在一定程度上緩解城市交通壓力。

1.2 工程地質(zhì)條件

胡家廟站—石家街站區(qū)間場(chǎng)地地面高差較大,除東二環(huán)下隧道段以外,勘探點(diǎn)地面高程介于400.36～408.13 m。該區(qū)間由南向北依次跨越槐芽嶺黃土梁、蓮花池洼地、勞動(dòng)公園黃土梁及八府莊洼地地貌單元。場(chǎng)地內(nèi)50 m深度內(nèi)地層為:地表分布有厚薄不均的全新統(tǒng)人工填土;其下為上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土及殘積古土壤,再下為中更新統(tǒng)風(fēng)積老黃土,再下為沖積粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂、中砂及粗砂等。具體各地基土物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。地下潛水穩(wěn)定水位埋深5.20～14.00 m之間,相應(yīng)高程為392.24～397.33 m。地下水主要接受大氣降水及側(cè)向地下水徑流補(bǔ)給,潛水排泄方式主要為側(cè)向徑流排泄。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工方案

研究區(qū)間隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工,開(kāi)挖寬12.63 m,高11.085 m。采用拱部φ108×6 mm大管棚,環(huán)向間距400 mm,沿拱部周邊180°打設(shè),超前小導(dǎo)管為φ 42.0 mm×3.5 mm進(jìn)行超前支護(hù),隔兩榀打設(shè)一環(huán),環(huán)間距為0.40 m。初期襯砌鋼筋網(wǎng)為150 mm×150 mm,直徑為8 mm,C25噴射早強(qiáng)混凝土的厚度為0.35 m,格柵鋼拱架采用HPB 300,間距為0.5 m。開(kāi)挖施工時(shí)，全斷面分6部分依次開(kāi)挖并進(jìn)行支護(hù)(詳見(jiàn)圖1)。開(kāi)挖步驟為：①1#導(dǎo)洞拱部超前小導(dǎo)管注漿施作,開(kāi)挖后及時(shí)施作初期支護(hù);②待1#導(dǎo)洞進(jìn)尺5 m后進(jìn)行2#導(dǎo)洞開(kāi)挖,并保持5 m錯(cuò)距;③待1#導(dǎo)洞進(jìn)尺15 m后進(jìn)行3#導(dǎo)洞拱部超前小導(dǎo)管注漿施工,開(kāi)挖后及時(shí)施作初期支護(hù);④待3#導(dǎo)洞進(jìn)尺5 m后進(jìn)行4#導(dǎo)洞開(kāi)挖并保持5 m錯(cuò)距;⑤待3#導(dǎo)洞進(jìn)尺15 m后進(jìn)行5#導(dǎo)洞拱部超前小導(dǎo)管施工,開(kāi)挖后及時(shí)施作初期支護(hù);⑥待5#導(dǎo)洞進(jìn)尺5 m后進(jìn)行6#導(dǎo)洞開(kāi)挖,并保持5 m錯(cuò)距。施工中應(yīng)及時(shí)施作鎖角錨桿,盡早封閉成環(huán),加強(qiáng)監(jiān)測(cè),并將監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋于施工。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)斷面示意圖

2 隧道施工動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的6步開(kāi)挖對(duì)導(dǎo)洞開(kāi)挖順序要求較高,且施工工藝繁雜。為了更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際開(kāi)挖支護(hù)順序,本次研究建立三維模型來(lái)模擬動(dòng)態(tài)施工過(guò)程,計(jì)算開(kāi)挖順序與實(shí)際開(kāi)挖順序保持一致。隧道實(shí)際埋深為7.5～10.5 m,屬淺埋暗挖隧道。結(jié)合所研究區(qū)段取平均值,本次模擬隧道埋深取8.2 m。考慮到隧道直徑和開(kāi)挖影響的范圍,所建模型尺寸為97 m×51 m×60 m,共42 200個(gè)節(jié)點(diǎn),38 784個(gè)單元。采用以實(shí)體單元提高強(qiáng)度參數(shù)的方法來(lái)模擬超前小導(dǎo)管注漿,以起到超前加固土體的作用。重點(diǎn)分析雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工引起的地表沉降和隧道變形,故本次模擬不考慮地裂縫對(duì)研究的影響。所建模型如圖2所示,地層參數(shù)見(jiàn)表1,支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算模型

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 計(jì)算模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為了與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,模擬計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3及圖4所示。其中，洞內(nèi)變形測(cè)點(diǎn)與地表橫向沉降測(cè)點(diǎn)位于同一斷面,地表橫向沉降監(jiān)測(cè)斷面距離洞口分別為20 m及30 m,地表縱向沉降測(cè)點(diǎn)位于各導(dǎo)洞拱頂上方地表。

圖3 隧道變形測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖4 地表沉降測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3 模擬結(jié)果及分析

計(jì)算完成后模型Z方向(垂直方向)位移云圖如圖5所示。由圖5可知,隧道開(kāi)挖后一定范圍內(nèi)的土體出現(xiàn)了下沉,呈“漏斗”狀。越靠近中軸線，地表沉降量就越大。拱頂最大沉降為25 mm左右,可滿足工程安全需求。下部土體有向上隆起的趨勢(shì)。為了描述隧道動(dòng)態(tài)開(kāi)挖過(guò)程,令每個(gè)導(dǎo)洞開(kāi)挖5 m為1個(gè)開(kāi)挖步。

圖5 開(kāi)挖完成后模型Z方向位移云圖

3.1 地表沉降分析

各導(dǎo)洞開(kāi)挖后地表橫向沉降曲線如圖6所示,斷面距洞口20 m。由圖6可知,1#導(dǎo)洞開(kāi)挖導(dǎo)致的地表最大沉降為7.5 mm,且沉降區(qū)域于導(dǎo)洞中軸線兩側(cè)對(duì)稱分布。隨著2#導(dǎo)洞的開(kāi)挖,最大沉降量增至9.3 mm,僅增大了1.8 mm。由此可知,下部導(dǎo)洞的開(kāi)挖對(duì)地表沉降影響較小,上導(dǎo)洞開(kāi)挖是造成地表沉降的主要原因。3#導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后,地表沉降量增大至14 mm,且橫向影響范圍向右側(cè)擴(kuò)大。因此，在進(jìn)行3#導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并及時(shí)反饋于施工。5#導(dǎo)洞開(kāi)挖后,沉降量進(jìn)一步增大,且最大沉降量為19 mm,出現(xiàn)在隧道中軸線位置。6#導(dǎo)洞的開(kāi)挖并未對(duì)地表沉降產(chǎn)生較大的影響。這進(jìn)一步說(shuō)明,下導(dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)地表沉降影響較小,上導(dǎo)洞開(kāi)挖才是造成地表沉降的主要原因。

地表縱向沉降隨開(kāi)挖步變化曲線如圖7所示。由圖7可知,由于1#導(dǎo)洞最先開(kāi)挖,因此開(kāi)挖初期1#導(dǎo)洞上部的地表沉降量大于其他導(dǎo)洞上部地表沉降量。當(dāng)開(kāi)挖步為6時(shí),5#導(dǎo)洞開(kāi)始開(kāi)挖。但此時(shí)對(duì)應(yīng)地表已下沉6.3 mm。這說(shuō)明兩側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖已造成中間導(dǎo)洞地表出現(xiàn)較大沉降。當(dāng)掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí),地表沉降量快速增大。受兩側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖影響,5#導(dǎo)洞對(duì)應(yīng)地表沉降量略大于其他位置沉降值。當(dāng)開(kāi)挖步為15時(shí),即5#導(dǎo)洞開(kāi)挖面超前監(jiān)測(cè)斷面25 m時(shí),地表沉降曲線趨于穩(wěn)定。這說(shuō)明此后隧道的開(kāi)挖對(duì)監(jiān)測(cè)斷面位置基本無(wú)影響。

圖6 各導(dǎo)洞開(kāi)挖地表橫向沉降曲線

圖7 地表沉降隨開(kāi)挖步變化曲線

3.2 拱頂沉降分析

各導(dǎo)洞拱頂沉曲線如圖8所示,監(jiān)測(cè)斷面距洞口20 m。由圖8可知,監(jiān)測(cè)初期,受隧道開(kāi)挖影響,土體原應(yīng)力狀態(tài)被破壞,拱頂沉降迅速增大,隨著掌子面的不斷推進(jìn),沉降值不斷增大。當(dāng)掌子面距監(jiān)測(cè)斷面15 m左右時(shí)，沉降速率減?。划?dāng)掌子面距監(jiān)測(cè)斷面25 m時(shí)，沉降曲線趨于穩(wěn)定；此后，掌子面的開(kāi)挖對(duì)監(jiān)測(cè)位置沉降影響很小,沉降值保持不變。此外,由于兩側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致中間導(dǎo)洞沉降增大,因此5#導(dǎo)洞拱頂沉降量略大于其他導(dǎo)洞拱頂沉降量,最大拱頂沉降量為22.3 mm,滿足施工安全需求。

圖8 各導(dǎo)洞拱頂沉降曲線

3.3 兩幫收斂分析

各導(dǎo)洞兩幫收斂變化曲線如圖9所示,監(jiān)測(cè)斷面距洞口20 m。由圖9可知,監(jiān)測(cè)初期,各導(dǎo)洞收斂值迅速增大,當(dāng)掌子面距監(jiān)測(cè)斷面20 m時(shí)，收斂曲線趨于穩(wěn)定,后續(xù)掌子面的開(kāi)挖對(duì)監(jiān)測(cè)斷面位置收斂影響很小。各導(dǎo)洞按最終收斂值由大至小排序?yàn)?#導(dǎo)洞、2#導(dǎo)洞、3#導(dǎo)洞、4#導(dǎo)洞。可見(jiàn)，開(kāi)挖越早,收斂值越大。原因在于,已開(kāi)挖并完成支護(hù)的導(dǎo)洞,其支護(hù)結(jié)構(gòu)在一定程度上阻止了周圍土體的變形,因此，后開(kāi)挖導(dǎo)洞的收斂值小于較早開(kāi)挖的導(dǎo)洞。因此,在1#導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)應(yīng)加強(qiáng)收斂變形監(jiān)測(cè),確保其滿足工程安全需求。

圖9 各導(dǎo)洞收斂變化曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

4.1 監(jiān)測(cè)方案的選取

“勤測(cè)量”是淺埋暗挖法施工時(shí)必不可少的環(huán)節(jié),也是事故預(yù)報(bào)的關(guān)鍵。本次施工中地表測(cè)點(diǎn)采用φ108的鉆機(jī)將地面硬化層或路面鉆透,隨即打入作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的鋼筋,且使鋼筋低于路面5～10 cm,使鋼筋與土體結(jié)為整體。拱頂測(cè)點(diǎn)是將φ10 mm圓鋼加工成三角鉤后焊到安裝好的格柵上而成。格柵初噴后將測(cè)點(diǎn)用油漆做好標(biāo)記,采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。收斂測(cè)點(diǎn)與拱頂沉降測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在同一斷面,且在埋設(shè)時(shí)盡量保持水平,將φ6.5圓鋼彎成邊長(zhǎng)為10 cm的三角形;然后,將一條邊雙面焊接于長(zhǎng)約25 cm的φ22螺紋鋼上；最后，將測(cè)點(diǎn)焊到安裝好的格柵上，并做好標(biāo)記。各測(cè)點(diǎn)布設(shè)細(xì)目如表3所示。

表3 各測(cè)點(diǎn)布置細(xì)目

4.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

4.2.1 地表沉降

實(shí)測(cè)地表沉降曲線如圖10所示。由圖10可知,隨著隧道的開(kāi)挖,地表沉降呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。由于1#導(dǎo)洞開(kāi)挖略早于3#導(dǎo)洞,因此3#導(dǎo)洞地表沉降滯后于1#導(dǎo)洞,但其變化趨勢(shì)基本一致。監(jiān)測(cè)到60 d時(shí)開(kāi)挖面已超前監(jiān)測(cè)斷面25 m。此時(shí),地表沉降已趨于穩(wěn)定。

4.2.2 拱頂沉降

實(shí)測(cè)拱頂沉降曲線如圖11所示。由圖11可知,在監(jiān)測(cè)初期,各導(dǎo)洞拱頂沉降迅速增大,一方面由于導(dǎo)洞開(kāi)挖圍巖應(yīng)力需重新分布,另一方面初期支護(hù)未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度;故拱頂短期內(nèi)迅速下沉,但其沉降值均小于警戒值。當(dāng)掌子面距離監(jiān)測(cè)斷面25 m時(shí),拱頂沉降逐漸趨于穩(wěn)定,說(shuō)明初期支護(hù)能有效起到約束圍巖變形的作用。

4.2.3 兩幫收斂

實(shí)測(cè)洞內(nèi)收斂變化曲線如圖12所示。由圖12可知,監(jiān)測(cè)初期各導(dǎo)洞兩幫收斂值迅速增大,且最大收斂值達(dá)到了22 mm。當(dāng)掌子面超前監(jiān)測(cè)斷面約20 m時(shí)，收斂值已趨于穩(wěn)定,后續(xù)開(kāi)挖對(duì)該處收斂影響很小。

圖11 實(shí)測(cè)拱頂沉降變化曲線

圖12 實(shí)測(cè)洞內(nèi)收斂變化曲線

結(jié)合地表沉降、拱頂沉降和收斂曲線可知,三者變化趨勢(shì)基本一致,隧道開(kāi)挖一段時(shí)間后都趨于穩(wěn)定,拱頂沉降量大于地表沉降。實(shí)測(cè)值與模擬值基本吻合,說(shuō)明FLAC3D數(shù)值模擬軟件能較好地進(jìn)行隧道變形預(yù)測(cè)。在模擬過(guò)程中還需考慮實(shí)際施工順序和超前注漿加固措施對(duì)結(jié)果的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 由模擬結(jié)果可知,采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí),地表橫向沉降曲線關(guān)于隧道中軸線對(duì)稱分布,影響左右各30 m范圍(約為2.5倍隧道洞徑)。上導(dǎo)洞開(kāi)挖是造成地表沉降的主要原因。3#導(dǎo)洞開(kāi)挖后地表沉降量及沉降范圍明顯增大,故建議3#導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)加強(qiáng)地表沉降監(jiān)測(cè)。

(2) 隧道開(kāi)挖后短期內(nèi)拱頂下沉量迅速增大,當(dāng)掌子面超前監(jiān)測(cè)斷面25 m時(shí)，拱頂沉降趨于穩(wěn)定。拱頂最大沉降量為23 mm,模擬值與實(shí)測(cè)值均小于警戒值。這說(shuō)明采用超前大管棚和小導(dǎo)管注漿技術(shù)可在施工中確保鋼拱架連接緊密,能有效控制拱頂沉降,確保圍巖變形滿足工程要求。

(3) 模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果表明,導(dǎo)洞開(kāi)挖后兩幫收斂值短期內(nèi)迅速增大。掌子面超前監(jiān)測(cè)斷面20 m左右時(shí)，收斂趨于穩(wěn)定。各導(dǎo)洞按收斂值由大到小排序?yàn)?#導(dǎo)洞、2#導(dǎo)洞、3#導(dǎo)洞、4#導(dǎo)洞,因此應(yīng)加強(qiáng)1#導(dǎo)洞收斂監(jiān)測(cè)。

(4) 對(duì)比模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果可知,采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工能有效控制地表沉降和隧道變形,確保工程順利進(jìn)行。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好,說(shuō)明數(shù)值模擬能有效預(yù)測(cè)地層變形。研究結(jié)果可為黃土地區(qū)類似工程施工提供參考。

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Settlement Laws of Ground and Tunnel Deformation Induced by Construction of Large Section Two-side Wall Drift Heading Method Tunnel in Loess Region

REN Jianxi, WANG Li, WANG Jiang, WANG Dongxing, LIU Dongyang, LIU Kanghui, CHENG Yuan

Based on two-side wall drift heading method tunnel construction in Xi’an metro Line 3 project, the settlement laws of ground face and tunnel deformation induced by construction in loess region are studied by using FLAC3D numerical simulation and field measurement. The research shows that the curves of the surface crosswise settlement are symmetrical around the axis of the tunnel, the sphere of influence is 30 m on each side.The main reason of the surface subsidence is considered as the excavation of the upper pilot tunnel, and it is effective to control the vault settlement by using advanced small pipe grouting soil. The convergence value of pilot tunnel grows rapidly after the excavation of the tunnel, but tends to stabilize when the tunnel face advancing leads the monitoring section 20 meters.Numerical simulation results are consistent with the measured data, it is clear that the FLAC3D numerical simulation software can predict ground deformation.

large section tunnel in loess region; two-side wall drift heading method; ground surface settlement; deformation law; numerical simulation

School of Energy, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an,710054,China

TU 433; U 455.41+1

10.16037/j.1007-869x.2017.03.005

2016-03-28)