地鐵淺埋暗挖施工對地表沉降及鄰近橋基的影響

劉 靜，田曉艷

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

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地鐵淺埋暗挖施工對地表沉降及鄰近橋基的影響

劉 靜，田曉艷

(西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

針對地鐵隧道開挖誘發(fā)地表下沉，致使已有橋基變位的問題，采取經(jīng)驗法的疊加原理預(yù)測雙線隧道開挖對地表沉降曲線的影響。以西安地鐵3#線某區(qū)間為工程背景，采用三維有限差分?jǐn)?shù)值(FLAC3D)軟件模擬淺埋暗挖不同工況對地表和鄰近樁基沉降的影響。理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果均表明：雙線隧道引發(fā)的地表沉降呈“U”型曲線分布，且沉降槽寬度影響范圍和地表沉降均較單線隧道大。環(huán)形開挖預(yù)留核心土法可作為該區(qū)間隧道的主要施工工法?，F(xiàn)場監(jiān)測分析表明：該施工工法能有效地降低地表沉降和樁基變形，對黃土地區(qū)該類隧道工程具有一定的指導(dǎo)意義和借鑒價值。

疊加原理；地表沉降；FLAC3D軟件；鄰近樁基沉降；環(huán)形開挖預(yù)留核心土法；現(xiàn)場監(jiān)測

0 引言

地鐵開挖引起周邊土層的內(nèi)力重分布，必然對周邊環(huán)境帶來危害，產(chǎn)生危害的主要原因是地表出現(xiàn)較大的沉降甚至塌陷，根源是地鐵開挖引起隧道邊緣土層損失以及土體受剪失效后的再固化效應(yīng)。文獻(xiàn)[1]對全球51條實測地表沉降曲線進(jìn)行了擬合，80%的數(shù)據(jù)與正態(tài)分布擬合相關(guān)性在0.8以上。Peck理論[2]計算原理簡潔，實踐證明其在國內(nèi)外有廣泛地區(qū)適應(yīng)性，且數(shù)值模擬在一定程度上會彌補(bǔ)經(jīng)驗公式的不足。由于受城市地面交通壓力以及建設(shè)用地緊張的限制，城市地下工程必須在已有橋梁樁基附近修建，如何在隧道建設(shè)期間保證既有樁基的安全穩(wěn)定已成為工程界關(guān)注的課題。工程實踐中為保證樁基的穩(wěn)定而采取偏于保守的樁基托換施工方案，無疑會增加工程造價，因而有必要研究地鐵隧道開挖引起的土體位移對鄰近樁基的影響。文獻(xiàn)[3-4]基于離心場的室內(nèi)物理模型，試驗了黏性土地基隧道開挖對樁基的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[5]通過室內(nèi)試驗，將隧道開挖過程簡化為施加于樁體上的水平位移和豎向位移，研究隧道開挖對豎向受荷樁的影響。文獻(xiàn)[6]基于荷載傳遞法和Winkler地基模型，利用兩階段分析法，通過迭代法求出隧道開挖與鄰近單樁相互作用的彈塑性解答。文獻(xiàn)[7]采用兩階段分析法，分析了地鐵隧道開挖引起土體的豎向位移對單樁的影響規(guī)律。但上述研究均不能很好地反映隧道的實際開挖及推進(jìn)過程，且未考慮土體的非線性與分層性，因此，本文以西安地鐵3#線延興門站—咸寧路站區(qū)間隧道工程為依托，基于經(jīng)驗法的疊加原理預(yù)測雙線隧道對地表沉降曲線的影響，采取數(shù)值模擬軟件研究了淺埋暗挖不同工況對地表和橋樁沉降的影響，從而為鄰近橋樁隧道施工和支護(hù)方案的優(yōu)化提供參考。

1 雙線平行隧道誘發(fā)地表豎向沉降

城市地鐵修建多采取雙線平行隧道，其對地表的影響較單線復(fù)雜，工程期間第2條隧道一般滯后開挖。故而在工程上引用Peck理論[2]和疊加理論[8]初估雙線隧道的地表沉降：

(1)

其中：S(x,z)為地表x點的豎向沉降；x為距隧道中心線的距離；d為雙線隧道中心距離；Vl為地層損失體積；i為地表沉降槽寬度系數(shù)，文獻(xiàn)[8]?。?/p>

(2)

但式(2)適用于巖石類散狀介質(zhì)，并非土體介質(zhì)，故而本文擬采取式(3)[8]：

i=m[R+Htan (45-φ/2)]，

(3)

圖1 隧道與橋樁位置圖

式(3)涵蓋了隧道自身概況和土質(zhì)概況。其中：φ為土體內(nèi)摩擦角；m為比例系數(shù)，m=0.45～0.50。

2 工程實例分析

以西安地鐵3#線延興門—咸寧路站區(qū)間隧道工程為依托，左線長544.917 m，右線長543.591 m，起訖里程為(Z(Y)DK28+089.638)～(Z(Y)DK28+633.229)。圖1為隧道與橋樁位置圖，其中：每個橋墩4根樁，括號里為后排樁，樁長L=45.00 m，樁徑D=1.50 m，泊松比μ=0.2，密度ρ=2 600 kg/m3，彈性模量E=30 000 MPa。表1為土層力學(xué)參數(shù)。

表1 土層力學(xué)參數(shù)

圖2 地表豎向沉降曲線圖

2.1 經(jīng)驗法估算地表豎向沉降

圖2為地表豎向沉降曲線圖。由圖2可知：隧道上覆土層較薄且間距較大時，通過疊加理論得出雙線隧道的地表沉降曲線呈“U”型，且沉降槽寬度影響范圍較單線隧道大，為33.6 m。

2.2 數(shù)值模擬

采取ANSYS模擬地鐵開挖工法，網(wǎng)格劃分后導(dǎo)入三維有限差分?jǐn)?shù)值(FLAC3D)軟件模擬橋基(1#橋墩、2#橋墩)及土體，土體參數(shù)見表1。圖3為FLAC3D樁隧位置關(guān)系模型圖，其中：模型沿掘進(jìn)方向前后各取69 m，橫向左右各取45 m，厚度自地面向下取48 m[9]，地表為自由邊界；水平向為固定邊界[10]；左線滯后右線約130 m開挖。采用上下臺階法[10]、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法[11]、CRD法[12]和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法[13]4種工法模擬隧道開挖對鄰近橋樁的影響。

2.3 不同工法誘發(fā)的地表豎向沉降

圖4為4種工法的地表豎向沉降圖。由圖4可知：隧道掘進(jìn)引起地層變位是一個漸進(jìn)的動態(tài)過程，

圖3 FLAC3D樁隧位置關(guān)系模型圖

但不同工法誘發(fā)的地表沉降型式基本一致，且最大值均在其拱頂部位，數(shù)值從大到小依次為：上下臺階法>環(huán)形開挖預(yù)留核心土法>CRD法>雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

2.4 不同工法引發(fā)的樁頂沉降

圖5為4種工法的樁頂豎向沉降圖。由圖5可知：隧道開挖后引發(fā)的樁頂豎向沉降與樁隧間距呈反比關(guān)系，即樁隧間距越小，擾動越大，樁頂豎向沉降越大。數(shù)值從大到小依次為：上下臺階法>環(huán)形開挖預(yù)留核心土法>CRD法>雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，且1#、2#樁>3#、4#樁>5#、6#樁>7#、8#樁。分析可能原因：上下臺階法施工成拱時間較長，土體擾動大，故沉降大；CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工能夠及時封閉成環(huán)，故可有效控制巖體變形，但其施工速度慢，后續(xù)工序較麻煩，造價高；雖然環(huán)形開挖預(yù)留核心土法對地表豎向沉降及樁頂沉降較CRD和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法大，但數(shù)值在可控范圍之內(nèi)，尤其是環(huán)形開挖預(yù)留核心土法在開挖過程中上部留有核心土支撐著開挖面，能迅速及時地建造拱部初次支護(hù)，所以開挖工作面穩(wěn)定性好，施工安全性高。

圖4 4種工法的地表豎向沉降圖5 4種工法的樁頂豎向沉降

綜上所述，不同工法對土體擾動和樁基的影響程度不同，綜合考慮各工法的適用性及工程造價，本區(qū)間隧道采取環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工，對于變形要求比較高的路段，從安全及控制變形的角度考慮，可采用CRD法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法過渡施工。

3 監(jiān)測結(jié)果

經(jīng)上述分析，此段區(qū)間采取環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖，且根據(jù)需求設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測點現(xiàn)場驗證開挖方法的適宜性。圖6為沉降監(jiān)測點布設(shè)圖，其中：1-1～1-11代表斷面1的11個監(jiān)測點。圖7為橋樁樁基監(jiān)測點。

3.1 地面豎向沉降監(jiān)測結(jié)果

地鐵開挖擾動土體，圍巖徑向收縮，最終引發(fā)地表沉降，于2014年7月2日～2014年10月19日對ZDK28+135.625斷面和ZDK28+110.625斷面進(jìn)行監(jiān)測，沉降變化趨勢一致，故選取一個斷面進(jìn)行研究。

圖6 沉降監(jiān)測點布設(shè)圖圖7 橋樁樁基監(jiān)測點

圖8 ZDK28+135.625斷面地表沉降曲線

圖8為ZDK28+135.625斷面地表沉降曲線圖。由圖8可知：該斷面處地鐵右線較左線地表沉降偏大，因為施工時右線先施工，所以右側(cè)最終沉降最大達(dá)到27.57 mm，左側(cè)最終沉降達(dá)到26.94 mm，兩側(cè)沉降基本呈對稱分布，與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，且10月19日的掌子面遠(yuǎn)離該斷面，表明地表沉降趨于穩(wěn)定。

圖9為1-1～1-6監(jiān)測點沉降曲線圖。由圖9可知：地表沉降約為3個階段,7月2日～7月11日，初期沉降較??；7月11日～8月6日，中期快速沉降且數(shù)值大；8月6日～10月19日，末期沉降速度趨于平緩。

3.2 既有橋墩樁頂沉降監(jiān)測結(jié)果

圖10為橋墩樁頂沉降變化曲線，其中，1#、2#橋墩位于ZDK28+135.625斷面，3#、4#橋墩位于ZDK28+110.625斷面。由圖10可知：1#～4#橋墩樁頂沉降與土體沉降趨勢基本一致，1#橋墩樁頂沉降1.25 mm，2#橋墩樁頂沉降0.05 mm，3#橋墩樁頂沉降1.50 mm，4#橋墩樁頂沉降 0.06 mm；3#、4#橋墩沉降略大于1#、2#橋墩的原因是前序施工擾動增加了土體沉降。

圖9 1-1～1-6監(jiān)測點沉降曲線圖10 橋墩樁頂沉降變化曲線

4 結(jié)論

(1)疊加經(jīng)驗公式為預(yù)測雙線隧道開挖引發(fā)地表豎向沉降提供了快速簡便的工程計算方法。

(2)施工中優(yōu)化合理選擇工法可降低地表和鄰近樁基的豎向沉降。本工程區(qū)間隧道主要采取施工工藝簡單、工程造價低、且能有效控制變形的環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，且注意到快速施工、快速封閉亦可緩和其變形。

(3)由于隧道開挖引起地層沉降是一個漸進(jìn)的動態(tài)變化過程，所以在施工期間采用信息化量測的手段及時監(jiān)測和反饋，可實現(xiàn)全程的控制與管理。

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國家自然科學(xué)基金項目(51405385);陜西省教育廳專項科研計劃基金項目(15JK1562);西安石油大學(xué)博士科研啟動基金項目(250205002)

劉靜(1975-),女,河南焦作人,講師,博士,主要從事土木工程相關(guān)的教學(xué)與科研工作.

2016-06-23

1672-6871(2017)03-0060-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.03.013

U231

A