淺埋暗挖地鐵大斷面隧道施工引起的地層變形特性

郭建峰，鄭金雷，李衛(wèi)娟，曾德光，王 琦

(1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；3.石家莊市軌道交通有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050000)

隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，為解決日趨堵塞的地面交通問題，越來越多的城市開始大力發(fā)展地下軌道交通[1]。地下隧道一般分布在城市建筑物密集區(qū)域，而隧道的開挖不可避免地會造成地層變形，如何將地表沉降控制在保證周邊建筑物安全的范圍內(nèi)，是地下隧道建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[2]。

對于城市地下暗挖隧道引起的地表沉降規(guī)律，國內(nèi)許多學(xué)者進(jìn)行了研究。李濤等[3]通過對深圳地鐵5號線 18個(gè)暗挖區(qū)間隧道的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了各個(gè)暗挖區(qū)間地表沉降沿隧道縱向和橫向的總體分布和變化規(guī)律；王霆等[4]通過對北京地區(qū)地鐵施工時(shí)的大量現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出北京地區(qū)黏性土與砂性土互層的條件下地鐵車站淺埋暗挖法施工引起地表沉降的規(guī)律；丁靜澤等[5]對武漢地鐵2號線區(qū)間隧道地表變形連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了武漢地鐵施工過程中隧道上方地表的沉降規(guī)律。黃靈強(qiáng)[6]對廈門翔安大斷面淺埋暗挖海底隧道施工的地層變形進(jìn)行了研究，得到不同導(dǎo)坑開挖步序?qū)Φ貙幼冃蔚挠绊?，并提出了相?yīng)的地層變形控制措施。

本文以石家莊地鐵洨(河大道站)—西(兆通車輛段)區(qū)間隧道工程為背景，研究淺埋暗挖大斷面區(qū)間隧道對地表沉降變形的影響規(guī)律，并提出相應(yīng)的地表沉降控制措施。

1 工程概況

洨西區(qū)間自洨河大道站開始，向北下穿金峰特鋼有限公司2層辦公樓和單層廠房、煤礦機(jī)械廠后，向西北約400 m后，下穿石家莊市第五十一中學(xué)、石豐路，向西北方向繼續(xù)前行，至西兆通車輛段。隧道為單洞雙線隧道，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(9導(dǎo)洞)進(jìn)行施工。施工中隧道斷面為馬蹄形，毛洞寬14.3 m，高10.75 m。

根據(jù)施工區(qū)地質(zhì)勘查報(bào)告，區(qū)間隧道大部分位于無水的粉細(xì)砂、中粗砂層，局部穿越粉土、粉質(zhì)黏土。砂層為無水潮濕狀態(tài)、中密～密實(shí)。由于長期開采造成地下水位下降。目前隧址區(qū)地下水位均位于地面以下23～40 m，在隧道底板以下，故施工時(shí)不需降水。

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

采用有限元軟件FLAC 3D建立模型，模擬洨西區(qū)間隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(9導(dǎo)洞)施工過程。計(jì)算模型左右邊界距離為4倍的斷面寬度，上下邊界距離為4倍斷面高度，整個(gè)模型寬70 m，高46 m，長30 m。模型底面邊界施加豎向固定約束，四周邊界施加水平固定約束，頂面邊界為自由面。

2.2 計(jì)算參數(shù)的選取

數(shù)值計(jì)算中的土體、初支、二襯均采用實(shí)體單元，土體采用理想彈塑性Mohr-Coulomb模型，初支及二襯采用彈性模型。通過提高土體力學(xué)參數(shù)的方法模擬超前小導(dǎo)管注漿加固，注漿加固區(qū)域的本構(gòu)模型采用理想彈塑性Mohr-Coulomb模型。地層參數(shù)見表1。數(shù)值模擬時(shí)計(jì)算參數(shù)見表2。

表1 地層參數(shù)

表2 計(jì)算參數(shù)

2.3 施工步的模擬

采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(9導(dǎo)洞)左右對稱開挖。導(dǎo)洞分布如圖1所示。

圖1 導(dǎo)洞分布

待模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡之后，按照設(shè)計(jì)分10步施工：①打設(shè)導(dǎo)洞1、導(dǎo)洞2超前小導(dǎo)管并開挖導(dǎo)洞，施作初支及臨時(shí)支撐；②開挖導(dǎo)洞3、導(dǎo)洞4，施作初支及臨時(shí)支撐；③開挖導(dǎo)洞5、導(dǎo)洞6，施作初支及臨時(shí)支撐；④打設(shè)導(dǎo)洞7超前小導(dǎo)管并開挖導(dǎo)洞，施作初支；⑤開挖導(dǎo)洞8，施作初支及臨時(shí)支撐；⑥開挖導(dǎo)洞9，施作初支；⑦截?cái)嗑植颗R時(shí)支撐；⑧澆筑底板及兩側(cè)墻二襯，頂緊臨時(shí)支撐；⑨破除剩余臨時(shí)支撐；⑩澆筑剩余二襯結(jié)構(gòu)，封閉二襯。

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

各施工步地表沉降曲線見圖2。可見：隨著隧道施工的進(jìn)行V字形沉降槽曲線逐漸向下移動(dòng)，沉降量越來越大，并且施工的影響范圍也越來越大，隧道中心處地表沉降量最大，其值為28 mm。不同施工步地表沉降增量存在著顯著的差異，其中第⑤，⑩這2步地表沉降增量分別增加了5.63,4.90 mm，占整個(gè)地表最大沉降量(28 mm)的38%。

圖2 各施工步地表沉降曲線

對地表沉降進(jìn)行監(jiān)測的同時(shí)，也對地層中塑性區(qū)的發(fā)展進(jìn)行了監(jiān)測。在計(jì)算模擬施工過程中，開挖完導(dǎo)洞3和導(dǎo)洞4之后，隧道拱腳處開始出現(xiàn)塑性區(qū)，隨著施工的進(jìn)行塑性區(qū)面積逐漸擴(kuò)大，主要沿隧道2個(gè)拱腳方向發(fā)展，所有導(dǎo)洞開挖完成之后，塑性區(qū)的面積基本不再增加。第⑦步截?cái)嗑植颗R時(shí)支撐后，隧道兩側(cè)的地表開始出現(xiàn)拉伸破壞區(qū)，一直持續(xù)至整個(gè)施工結(jié)束。隧道全部開挖完成后周圍土體均處于剪切破壞狀態(tài)，塑性區(qū)主要集中在拱腳處，但是隧道上方塑性區(qū)并未貫通，表明對上方土體進(jìn)行注漿加固，有效控制了上方土體的變形，限制了塑性區(qū)的發(fā)展。

3 現(xiàn)場實(shí)測

采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(9導(dǎo)洞)對洨西區(qū)間隧道進(jìn)行開挖時(shí)在地表設(shè)置了9個(gè)測點(diǎn)，對施工過程中地表的沉降變形進(jìn)行了監(jiān)測。測線長33 m。測點(diǎn)布置見圖3。

圖3 地表測點(diǎn)布置

圖4 右線地表監(jiān)測沉降曲線

考慮到隧道開挖對地表變形的影響具有對稱性，僅對右線測點(diǎn)(6#—9#)的沉降曲線(見圖4)進(jìn)行分析。由圖4可見：越接近隧道中心地表沉降量越大，最大值為23.21 mm。與數(shù)值計(jì)算結(jié)果接近，說明數(shù)值計(jì)算結(jié)果對現(xiàn)場施工具有一定的指導(dǎo)意義。

4 控制措施

為減少導(dǎo)洞開挖及襯砌施工過程中產(chǎn)生的地表沉降，保護(hù)地表周邊建筑物的安全，現(xiàn)結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，提出如下控制措施：①在上部導(dǎo)洞開挖之前，對開挖面前部土體進(jìn)行小導(dǎo)管超前預(yù)注漿，嚴(yán)格執(zhí)行先加固后開挖。②導(dǎo)洞1和導(dǎo)洞2開挖完成之后，沿隧道兩側(cè)斜向上45°進(jìn)行深孔注漿，同時(shí)在地表對數(shù)值計(jì)算中出現(xiàn)拉伸破壞的區(qū)域進(jìn)行注漿加固。③在隧道兩側(cè)土體開挖完成之后，對導(dǎo)洞5和導(dǎo)洞6的拱腳處進(jìn)行深孔注漿，提高土體強(qiáng)度，控制塑性區(qū)的發(fā)展。對中部核心土下部進(jìn)行注漿加固，防止因塑性破壞而坍塌。④盡量減少拆除臨時(shí)支撐及封閉二襯的時(shí)間，使支護(hù)結(jié)構(gòu)盡早封閉成環(huán)，加強(qiáng)回填注漿工藝，及時(shí)填充初支和二襯之間的間隙，以控制地表變形在施工過程中不斷增加。⑤加強(qiáng)施工過程中的現(xiàn)場監(jiān)測，堅(jiān)持信息化施工，及時(shí)反饋施工效果，調(diào)整技術(shù)措施。

5 結(jié)論

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(9導(dǎo)洞)開挖施工過程中第⑤步(開挖導(dǎo)洞8，施作初支及臨時(shí)支撐)和第⑩步(澆筑剩余二襯結(jié)構(gòu)，封閉二襯)的地表沉降增量相對較大。由此可見，縮短導(dǎo)洞8開挖后初支及臨時(shí)支撐的施作時(shí)間和盡快使二襯封閉成環(huán)是控制地表沉降變形的關(guān)鍵。

隧道周邊塑性區(qū)主要集中在拱腳部位，在下部導(dǎo)洞開挖之前應(yīng)提前對拱腳部位進(jìn)行深孔注漿加固，提高其強(qiáng)度。對隧道兩側(cè)地表土層注漿加固，提高其抗拉強(qiáng)度，防止發(fā)生拉伸破壞。

[1]王灝.城市軌道交通可持續(xù)發(fā)展的思考[J].宏觀經(jīng)濟(jì)研究,2009(3):36-40，56.

[2]陽軍生,劉寶琛.城市隧道施工引起的地表移動(dòng)及變形[M].北京:中國鐵道出版社,2002.

[3]李濤,韓雪峰,黃華,等.深圳富水復(fù)合地層地鐵隧道暗挖施工引起地表沉降規(guī)律的研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2014,51(2):76-82.

[4]王霆,劉維寧,張成滿,等.地鐵車站淺埋暗挖法施工引起地表沉降規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(9):1855-1861.

[5]丁靜澤,陳建平.武漢地鐵區(qū)間隧道地表沉降規(guī)律探討[J].安全與環(huán)境工程,2011,18(5):11-14.

[6]黃靈強(qiáng).廈門翔安大斷面淺埋軟土隧道CRD法開挖變形控制研究[J].鐵道建筑,2014，54(2):59-62.