蘭州地鐵黃土隧道開(kāi)挖引起的地表沉降分析

孟曉龍

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

蘭州地鐵黃土隧道開(kāi)挖引起的地表沉降分析

孟曉龍

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

依托蘭州地鐵一號(hào)線的開(kāi)挖過(guò)程，對(duì)地表沉降的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，研究了蘭州地區(qū)城市淺埋暗挖隧道開(kāi)挖引起的地表沉降規(guī)律。結(jié)果表明，隧道地表沉降分為微沉降階段、快速沉降階段、沉降緩慢階段和沉降穩(wěn)定階段。在沉降顯著發(fā)展階段沉降量達(dá)到總沉降量的60%，隧道開(kāi)挖引起的最大地表沉降為28.7mm。通過(guò)對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程的數(shù)值模擬驗(yàn)證了地表沉降的四個(gè)變化階段，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了在開(kāi)挖過(guò)程中沉降槽會(huì)逐漸變大并且存在漂移現(xiàn)象。

黃土隧道；蘭州地鐵；沉降監(jiān)測(cè)；地表沉降；沉降槽

1 引言

城市地鐵隧道的開(kāi)挖會(huì)不可避免地引起地表沉降，這將給地表行車、地下市政管線以及周邊建筑帶來(lái)一系列的安全問(wèn)題及隱患。蘭州地區(qū)黃土底層由于其具有的不同于其它地區(qū)的特殊工程地質(zhì)性質(zhì)(黃土的濕陷性和震陷性)，使得蘭州地區(qū)的地鐵隧道建設(shè)面臨著不同于沿海軟土地區(qū)的地鐵修建過(guò)程中的特殊工程問(wèn)題。不同的支護(hù)參數(shù)、支護(hù)類型以及不同的開(kāi)挖工序都將對(duì)巖體產(chǎn)生不同的擾動(dòng)，從而產(chǎn)生不同的地表沉降量，本文結(jié)合蘭州地鐵的工程實(shí)際過(guò)程中既有支護(hù)及開(kāi)挖方式下的地鐵隧道的地表沉降量，分析了引起地表沉降的特征變化，同時(shí)利用ANSYS軟件建立與實(shí)際施工條件相類似的隧道開(kāi)挖模型，研究分析在既有開(kāi)挖工法下地表位移變化特征。

蘭州地鐵一號(hào)線陳官營(yíng)至焦家灣段雙洞單線隧道均采用上下臺(tái)階法暗挖施工。隧道的最大埋深約9.7m，最小埋深約8.4m，自地表以下分布有厚薄不均的全新統(tǒng)雜填土(0.6～2.1m)，其以下為黃土狀土(11.2～15.1m)，再往下是粉細(xì)砂(0.2～1.5m)和卵石層(4.1～5.6m)，地下水位埋深穩(wěn)定在10.9～12.7m，相應(yīng)地下水位高程1519.50～1521.72m。

2 沉降監(jiān)測(cè)

蘭州地鐵一號(hào)線陳官營(yíng)至焦家灣段區(qū)間隧道走向與地表道路方向相平行，隧道施工造成的地表以及周邊沉降對(duì)地表行車和道路兩旁建筑物帶來(lái)安全上的影響。根據(jù)施工方提供的施工期間對(duì)隧道洞內(nèi)洞外進(jìn)行了多項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，筆者取由西向東方向的右側(cè)隧道YDK33+470至YDK33+550 段上的五排隧道地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為研究依據(jù)，五排監(jiān)測(cè)點(diǎn)相鄰間距為20米，施工圖中監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況如圖1所示。

圖1 所選區(qū)間隧道地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

隧道開(kāi)挖過(guò)程中，掌子面與監(jiān)測(cè)面之間的距離越近，監(jiān)測(cè)斷面的地表沉降值越大。在掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面之后，由于掌子面的支撐作用和約束作用得以解除，地面沉降將繼續(xù)發(fā)展。

以監(jiān)測(cè)斷面所在位置為基準(zhǔn)，當(dāng)掌子面未超過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，取掌子面到監(jiān)測(cè)斷面的距離L與隧道寬度D的比值L/D為負(fù)值，當(dāng)掌子面已超過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，取檢測(cè)面到監(jiān)掌子面的距離L與隧道寬度D的比值L/D為正值。以監(jiān)測(cè)斷面的地表沉降量為縱坐標(biāo)，以L/D為橫坐標(biāo)，可得到監(jiān)測(cè)斷面地表沉降量隨掌子面變化的曲線。選擇YDK33+470、YDK33+490和YDK33+510三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，則在隧道開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降量隨掌子面位置的變化情況如圖2～圖4所示。

根據(jù)對(duì)YDK32+165、YDK32+185和YDK32+205斷面的地表沉降變化曲線，可以將隧道地表沉降劃分為4個(gè)變形階段。即微沉降階段：L/D≤-1，即掌子面距離監(jiān)測(cè)斷面在1倍洞徑以上時(shí)，所監(jiān)測(cè)斷面的地表沉降較小且變化緩慢；快速沉降階段：-1≤L/D≤3，即在掌子面在監(jiān)測(cè)斷面前后比較近時(shí)，可以觀測(cè)到地表發(fā)生顯著沉降，發(fā)展速度較快，最大沉降速率達(dá)到180 mm/d，沉降量達(dá)到總沉降量的60%左右；緩慢沉降階段：3≤L/D≤5，即掌子面已經(jīng)超過(guò)并距離監(jiān)測(cè)斷面較遠(yuǎn)時(shí)，此時(shí)監(jiān)測(cè)斷面處已完成了隧道的初期支護(hù)，并且?guī)r體與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互作用及變形已經(jīng)接近尾聲，掌子面對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的影響越來(lái)越小，地表沉降速率逐漸變緩；沉降變形穩(wěn)定階段：L/D≥5，即掌子面已經(jīng)遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)斷面，沉降變化已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

圖2 YDK32+165斷面地表沉降的變化

圖3 YDK32+185處地表沉降的變化

圖4 YDK32+205斷面地表沉降的變化

3 隧道開(kāi)挖的數(shù)值模擬

隧道的形狀根據(jù)蘭州地鐵一號(hào)線十五工區(qū)隧道設(shè)計(jì)圖紙的實(shí)際形狀來(lái)考慮。采用礦山法全斷面開(kāi)挖。隧道的初襯設(shè)定為25cm，在模擬過(guò)程中采用實(shí)體單元，以此來(lái)來(lái)加快計(jì)算速度。

考慮到隧道周邊建筑物，因此設(shè)定模型整體土塊尺寸為71m×56m×30m(橫向×縱向×豎向)，在地表以下18.7m分為上層為黃土層和下層為卵石層；隧道斷面采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際斷面，埋深13m；隧道與建筑的地面最近距離為10m，建筑物設(shè)定為2跨×4跨×5層的結(jié)構(gòu)，沿隧道縱向4跨，每跨4m，沿橫向兩跨，每跨3m，層高3m。約束條件為：土體的前后左右四個(gè)面設(shè)水平x、y方向約束，地面設(shè)x、y、z三個(gè)方向約束，上表面自由。建筑物選用梁?jiǎn)卧桶鍐卧獊?lái)建立，材料選擇為鋼筋混凝土，其縱向與隧道方向平行。如圖5所示。

圖5 隧道開(kāi)挖模型的三維視圖

模型模擬過(guò)程中，先進(jìn)行右洞開(kāi)挖，再開(kāi)挖左洞。下面是隧道模擬開(kāi)挖中地表沉降的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，見(jiàn)下圖6。

圖6 隧道開(kāi)挖過(guò)程的地表沉降

根據(jù)模擬結(jié)果可知，在首先進(jìn)行對(duì)靠近建筑物一側(cè)開(kāi)挖的過(guò)程中，開(kāi)挖所造成的影響寬度在逐漸增大，即沉降槽寬度在不斷加大，由35.5m擴(kuò)大到38.2m，對(duì)周邊的影響范圍不斷加寬。當(dāng)左洞掌子面開(kāi)挖至16m時(shí)，建筑物開(kāi)始出現(xiàn)沉降，并且隨著隧道的不斷開(kāi)挖，建筑物的沉降越明顯，在沉降的過(guò)程中會(huì)有不均勻沉降的發(fā)生，造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力。根據(jù)上述沉降等值曲線云圖可知，在隧道左洞開(kāi)挖過(guò)后地表沉降槽的形狀及特性符合Peck公式所推導(dǎo)的地表沉降形式，即地表沉降最大值發(fā)生在隧道中線處，左右兩側(cè)沉降對(duì)稱分布，越是遠(yuǎn)離中線沉降值越小，沉降值的變化也平緩。

選取隧道左洞中線28m處的地表沉降值繪制以L/D為橫坐標(biāo)的地表沉降變化曲線，如圖7所示。

由圖7可以看出數(shù)值模擬的地表的沉降隨著隧道開(kāi)挖的進(jìn)程的變化趨勢(shì)與在施工現(xiàn)場(chǎng)收集到的實(shí)際數(shù)據(jù)所到的結(jié)論是基本一樣的，驗(yàn)證了地表分為四個(gè)階段沉降的正確性。

圖7 左洞28m處地表沉降的變化

選取隧道縱向的28m處截面來(lái)分析地表沉降在開(kāi)挖過(guò)程中的具體變化，如圖8所示。

在隧道右洞的開(kāi)挖進(jìn)行過(guò)程中，沉降影響會(huì)與左洞開(kāi)挖的沉降影響發(fā)生重疊，造成最大沉降值的發(fā)生處開(kāi)始右移，不斷接近兩個(gè)隧道之間的中線；隨著隧道右洞的開(kāi)挖，逐漸在兩個(gè)隧道之間的中線上會(huì)產(chǎn)生最大沉降值，地表沉降以兩個(gè)隧道之間的中線為對(duì)稱線分布。

圖8 地表沉降隨開(kāi)挖過(guò)程的變化

4 結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)蘭州地鐵一號(hào)線陳官營(yíng)至東崗區(qū)間隧道地表沉降變形隨掌子面的變化曲線分析，可以把隧道分為4個(gè)階段：沉降微小階段、沉降顯著發(fā)展階段、沉降緩慢階段、沉降穩(wěn)定階段。在沉降顯著發(fā)展階段，最大沉降速率達(dá)到180 mm/d。在沉降顯著發(fā)展沉降量達(dá)到總沉降量的60%左右，隧道開(kāi)挖引起的地表沉降最大值為28.7mm。

(2)根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果驗(yàn)證了隧道開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降的四個(gè)變化階段，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)隧道地表的沉降槽寬度是一個(gè)變化的過(guò)程，隨著隧道的開(kāi)挖將逐漸擴(kuò)大，且左右隧道的相繼開(kāi)挖將會(huì)造成沉降槽的漂移，最終穩(wěn)定時(shí)的沉降槽將會(huì)是兩條隧道單獨(dú)開(kāi)挖效果的疊加，最大沉降發(fā)生在兩條隧道的中線上。

(3)根據(jù)上述研究，建議在今后蘭州地區(qū)的地鐵施工過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)地表沉降的控制，同時(shí)預(yù)防對(duì)原有路面可能造成的龜裂破壞。

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Class No.:U455 Document Mark：A

(責(zé)任編輯：蔡雪嵐)

Surface Subsidence Caused by Metro Tunnel Excavation in Loess Area in Lanzhou

Meng Xiaolong

(School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou, Gansu 730070，China)

Based on Lanzhou subway excavation process, we studied the characteristics of surface subsidence caused by shallow-buried tunnel excavation in Lanzhou Metro by comparing the observation data of surface subsidence. The results show that the ground surface subsidence deformation of tunnel is divided into little settlement, significant fast settlement, slow settlement and stable settlement stages. The settling volume reached 60% of the total settlement in the significant fast settlement stage, the maximum settlement was 28.7 mm. We also verified the four phases of the surface subsidence by the numerical simulation of the process of tunnel excavation, at the same time we found that the settling tank will increases gradually and drift phenomenon exists in the process of excavation.

loess tunnel; Lanzhou Metro; settlement monitoring; ground surface settlement; settlement trough

孟曉龍，碩士，蘭州交通大學(xué)。研究方向：橋梁與隧道。

1672-6758(2017)05-0058-4

U455

A