地鐵車站暗挖施工地層變位預(yù)測與控制研究

謝鵬

摘 要：本文主要根據(jù)一些準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)調(diào)研和文件提供，總結(jié)出暗挖地鐵車站施工過程當(dāng)中，應(yīng)對地層的變化所應(yīng)用的一系列預(yù)測和控制步驟的原理，并且根據(jù)專業(yè)化的數(shù)據(jù)分析方法描述出施工過程當(dāng)中最為關(guān)鍵的施工步驟，使得最終地層沉降量趨于最小，滿足城市復(fù)雜環(huán)境條件下的施工要求。

關(guān)鍵詞：淺埋暗挖；預(yù)測；控制；變位分配原理

引言：

由于對城市地下空間的過度開發(fā)和利用，造成了一系列的問題。例如：隨著地下工程數(shù)量的不斷增加，城市隧道施工引起地表沉降的一系列問題也隨之出現(xiàn)。而城市隧道施工工程往往分布于建筑物道路以及地下管道分布較為密集的地區(qū)，一旦該地區(qū)出現(xiàn)地表沉降問題，會引起各種環(huán)境公害問題的不斷增加。因此，相關(guān)的部門和施工管理者，要嚴(yán)格把控城市隧道施工工程，保證在對區(qū)內(nèi)建筑物沒有影響的前提下，進(jìn)行城市隧道建筑工程。

一、地層變位分配控制的原理以及應(yīng)用模型

（一）地層變位分配控制原理

對于地下隧道施工而言，特別是對于淺埋暗挖型大斷面式的施工，具有多種復(fù)雜的施工工程和系統(tǒng)工程，從整個(gè)工程開始到結(jié)束都是一種動態(tài)的、隨環(huán)境變化的施工過程，整個(gè)施工過程會應(yīng)用各種施工工藝，涉及多道施工工序。因此，淺埋暗挖型大斷面式的施工對于地表沉降問題的影響是日積月累的，是一個(gè)不斷積累的過程。根據(jù)地表沉降問題的這種特性，可以應(yīng)用變形分配控制的方法解決該問題。采取將地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)分解到每個(gè)施工步驟當(dāng)中的方法，規(guī)定每個(gè)施工步驟擁有標(biāo)準(zhǔn)的控制指標(biāo)以及施工指標(biāo)，將地表沉降問題，從每一個(gè)單個(gè)的步驟的角度出發(fā)，做到嚴(yán)格控制每個(gè)單個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)在每個(gè)細(xì)節(jié)當(dāng)中解決地表沉降問題，從而在整體上保證地表沉降問題不再出現(xiàn)，使得施工工程的安全管理得以落實(shí)。

地層變位的變形分配控制方法，在實(shí)際應(yīng)用的過程中，綜合預(yù)測變形、規(guī)劃變形與控制變形為一體，能夠貫穿整個(gè)隧道施工工程的過程。落實(shí)好每個(gè)階段和施工工藝的工作，就可以真實(shí)在實(shí)際施工過程中實(shí)現(xiàn)變形控制技術(shù)的應(yīng)用，將地表變形或周邊有建筑物的地表變形控制在合理的范圍當(dāng)中。

（二）計(jì)算機(jī)模型的應(yīng)用說明

地下隧道施工工程當(dāng)中所應(yīng)用的計(jì)算模型的計(jì)算過程主要采取FLAC的方式進(jìn)行，是一種以三維方式進(jìn)行顯函數(shù)有效差分的程序，能夠通過利用各種節(jié)點(diǎn)的位置移動，結(jié)合連續(xù)位移的應(yīng)用條件，完成對于連續(xù)介質(zhì)的變形分析，這種變形分析往往是非線性的。

計(jì)算模擬的平面圖，在水平范圍內(nèi)一般長達(dá)200米左右，模型的上部位于地表的最淺層，并且沿著地下隧道工程縱向，來獲取模型的單位長度。計(jì)算模型的側(cè)面和底面均為位于界面，而模型的側(cè)面只能夠應(yīng)用水平方向上的位移，而模型底面則只能夠應(yīng)用垂直方向上的位移，針對側(cè)面和底面模型的上界面依然是地面，而且一般為自由面。整體模型采用15個(gè)楔型的單元節(jié)點(diǎn)，并且根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的不同性質(zhì)可以劃分為不同的單元。

隧道的土層由上至下依次為：雜填土層，厚度約為1.5米左右；粉土層，厚度約為5.3米左右；粉質(zhì)黏土層，厚度約為4.1米左右；粉細(xì)砂層，厚度約3.2米左右；卵石層，厚度約為7.2米左右。

計(jì)算模型的假設(shè)過程一般分為五個(gè)步驟：第一，選擇材料要用專業(yè)的衡量準(zhǔn)則，選擇優(yōu)質(zhì)化的應(yīng)用材料，針對于大變化的地層變形預(yù)測需要應(yīng)用變形模型的計(jì)算方式。第二，所謂模型的假設(shè)過程就是，對于地表和各階層的土層順序進(jìn)行假定，規(guī)劃出具有均衡質(zhì)量的水平分布模式。第三，完成施工最初的開挖工序。第四，隧道襯砌步驟應(yīng)用單元模擬的施工技巧。第五，要選擇應(yīng)變力較強(qiáng)的地層和材料，使得應(yīng)變力處于塑料彈性的范圍當(dāng)中。

二、暗挖施工地層變形分配的預(yù)測方案與落實(shí)

（一）地層變形分配的方案

應(yīng)用FLAC的有限差分程序，可以在實(shí)際的暗挖車站測動施工過程當(dāng)中應(yīng)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對實(shí)際施工過程當(dāng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，做到對施工所引起地層變形的程度進(jìn)行提前的預(yù)測，實(shí)現(xiàn)工程開始之前的預(yù)測，并根據(jù)這種數(shù)據(jù)模擬制定相應(yīng)的施工方案。在各種施工步驟當(dāng)中，因初步施工開挖所產(chǎn)生的地表沉降占整個(gè)的地表沉降問題的很大部分，并且第一部的開挖步驟所占的百分比最大。并且對于各個(gè)導(dǎo)洞進(jìn)行開挖所產(chǎn)生的地表沉降，也是最終產(chǎn)生地表沉降問題的主要部分，也是最容易控制地表沉降問題的核心部分，當(dāng)洞側(cè)開挖完成二襯施作之后對于最終產(chǎn)生沉降的影響同樣占很大比例。為了控制這一部分的地表沉降問題，應(yīng)該主要針對側(cè)洞施工，所產(chǎn)生的變形進(jìn)行相應(yīng)的控制措施，完成變形控制到目標(biāo)。

（二）變形分配方法的落實(shí)與具體監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析

在去除地表觀測當(dāng)中出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)之后，結(jié)合每一個(gè)斷面的平均地表沉降數(shù)據(jù)整體趨勢，從整體上來看，每一個(gè)具體的施工步驟所占地表沉降的百分比，基本上與通過專業(yè)程序方法模擬出來的數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果相一致，雖然在個(gè)別的施工步驟預(yù)測結(jié)果對比上有所差別，但并不影響數(shù)據(jù)的整體吻合性。對于數(shù)值分析預(yù)測具有重要意義的施工步驟，需要管理人員在施工過程當(dāng)中密切關(guān)注，并且增強(qiáng)施工力度，保證施工的正常進(jìn)行。例如：由于在施工開挖的步驟當(dāng)中會經(jīng)過粉細(xì)砂層，往往會導(dǎo)致地表沉降的預(yù)測與實(shí)際的數(shù)值有很大的出入。從整個(gè)施工過程的角度來看，專業(yè)化程序數(shù)據(jù)模擬的應(yīng)用方法，在很多程度上解決了地表沉降的問題，并且基本實(shí)現(xiàn)了對于地表沉降問題的控制目的，完成了沉降從預(yù)期監(jiān)測到施工過程的最終目標(biāo)。

現(xiàn)階段，由于各種外界環(huán)境的影響，以及各種地層參數(shù)及數(shù)據(jù)的誤差，往往會使得專業(yè)化的數(shù)據(jù)模擬，在進(jìn)行預(yù)測施工沉降的過程中出現(xiàn)較大的偏差。經(jīng)過多個(gè)施工項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)積累，可以得出在進(jìn)行多個(gè)施工步驟同時(shí)進(jìn)行的過程中，對于地表沉降問題所涉及到地層參數(shù)沒有較大的影響，在多工序施工過程當(dāng)中，地層參數(shù)往往具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。因此，利用這一特征，可以通過應(yīng)用總體施工過程以及控制目標(biāo)，來完成施工步驟的定量分配，將數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與施工步驟緊密的聯(lián)系在一起，并且及時(shí)的將監(jiān)測數(shù)據(jù)反映給相應(yīng)的施工負(fù)責(zé)人，實(shí)現(xiàn)施工過程的信息化和數(shù)字化，提高施工工程的建設(shè)效率，同時(shí)減少地表沉降量過大的問題。

（三）在隧道施工過程當(dāng)中的反饋控制方法

為了更加完美地實(shí)現(xiàn)整個(gè)隧道工程的地層沉降問題的處理，以及地層變位的分配與控制，需要針對于整個(gè)施工過程進(jìn)行詳細(xì)地勘測和預(yù)測，針對預(yù)測變形、規(guī)劃變形以及怎樣做到完美控制變形三個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)的研究和分析，并且在這個(gè)基礎(chǔ)上，針對于各個(gè)主要環(huán)節(jié)包含預(yù)測、勘測、監(jiān)測以及控制，從而有目的性、有針對性地應(yīng)用各種地層變形控制的技術(shù)方案和應(yīng)用措施。比如：對于隧道工程當(dāng)中的超前注漿大、小管棚的支護(hù)問題，需要滿足各種類型的管線，以及隧道的最終變形控制量處于45毫米左右的核心位置。

結(jié)束語：

綜上所述，在隧道工程施工的過程當(dāng)中，應(yīng)用變形分配控制原理改善地表沉降問題，需要落實(shí)到每一個(gè)施工步驟當(dāng)中，切實(shí)地保證施工步驟與施工標(biāo)準(zhǔn)相符合，在動態(tài)管理和動態(tài)施工上，需要較為標(biāo)準(zhǔn)地完成地表變形的嚴(yán)格控制。運(yùn)用專業(yè)化的程序，應(yīng)用數(shù)據(jù)模擬的方法，完成對施工之前變位的分階段預(yù)測，并且隨時(shí)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整相應(yīng)的施工策略和施工方法，調(diào)整支護(hù)方法以及數(shù)據(jù)參數(shù)，以更加優(yōu)質(zhì)的方法來控制地表沉降問題。

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