淺埋暗挖隧道圍巖變形特性分析

戚翼　王平

摘要：本文以哈爾濱地鐵二號線南直路車站暗挖段SK25+490斷面為背景，通過收集現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制地表沉降和拱頂下沉的歷時變化曲線。運用FLAC3D軟件，結(jié)合隧道的工程概況建立三維模型，對隧道開挖后地表和拱頂位移的變化趨勢進行數(shù)值分析。通過綜合比對數(shù)值分析結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著掌子面的推進，隧道圍巖的變形可分為快速變形，緩慢增長，基本穩(wěn)定三個階段，并且隧道開挖面距離觀測點一倍洞徑范圍內(nèi)時沉降速率較大，大于兩倍洞徑后沉降速率開始減緩。通過對比現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者相似度較高，對合理選擇施工方法和支護襯砌的類型具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：淺埋隧道;圍巖變形;監(jiān)控量測;數(shù)值模擬

中圖分類號：U456.31文獻標識碼：A文章編號：1006-8023（2019）02-0107-05

Analysis of Deformation Characteristics of Surrounding Rockin Shallow Excavation Tunnel

QI Yi， WANG Ping

（School of Civil Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040）

Abstract：Based on the background of SK25 + 490 section in the underground excavation section of Nanzhi Road Station of Harbin Metro Line 2， the duration curve of surface subsidence and the vault sink are drawn by collecting on-site monitoring data. By using FLAC3D software and combining with the general situation of tunnel engineering， a three-dimensional model is established to numerically analyze the variation trend of ground surface and vault displacement after tunnel excavation. Through comprehensive comparison of numerical analysis results and field monitoring data， it is found that the deformation of tunnel surrounding rock can be divided into three stages： rapid deformation， slow growth and basic stability with the advance of palm face. And the settlement rate of the tunnel excavation face is larger than that of the observation point， and the settlement rate starts to slow down after the double hole diameter. By comparing the results of on-site monitoring data and numerical analysis， it is found that the similarity between the two is relatively high， which has guiding significance for the reasonable selection of construction methods and types of supporting lining.

Keywords：Shallow tunnel; surrounding rock deformation; monitoring measurement; numerical simulation

0引言

隨著地鐵在我國各大城市的興建，淺埋暗挖法以地層改良、時空效應(yīng)和快速施工等特點在軟弱地層中得到廣泛應(yīng)用。本文中隧道暗挖段采用PBA工法施工，PBA工法是淺埋暗挖法的一種，其主要思想是將蓋挖及分步暗挖法相互結(jié)合起來，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，當?shù)刭|(zhì)條件差、斷面特大時，通過邊樁、柱、頂?shù)琢汉晚敼肮餐瑯?gòu)成初期受力體系，承受施工過程中的荷載，最終形成由初期支護加二次襯砌組合形成的永久承載體系?[1]。

但是在隧道施工過程中引起的地表沉降和圍巖的變形問題仍然是設(shè)計、施工人員和科研工作者普遍關(guān)注的問題?[2]。隧道圍巖的動態(tài)監(jiān)控量測是判斷圍巖是否安全穩(wěn)定的重要手段，本文以哈爾濱地鐵二號線南直路站暗挖段為背景，先通過對拱頂下沉和地表沉降現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)了在隧道施工過程中圍巖變形的規(guī)律，然后用FLAC3D軟件建立三維模型，對隧道的開挖過程進行數(shù)值模擬，分析隧道SK25+490斷面的地表沉降、拱頂下沉位移變化情況，并將現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果進行比對，分析隧道圍巖的變形規(guī)律，對隧道的施工具有一定的參考價值?[3]。

1工程概況

1.1工程概況

南直路站位于南直路與珠江路交口處，沿珠江路東西方向布站。下穿公濱路南直立交橋引橋，南直路與珠江路交口處主體結(jié)構(gòu)為地下雙層兩跨連拱直墻結(jié)構(gòu)，采用暗挖PBA工法逆筑施工，使用φ32小導(dǎo)管超前預(yù)注漿加固地層;大拱處采用大管棚超前施作，φ32小導(dǎo)管超前預(yù)注漿加固地層;大拱處分洞室開挖。車站暗挖段起點里程為SK25+455.845，有效站臺中心里程為SK25+486.954，終點里程為SK25+518.054，暗挖段結(jié)構(gòu)全長62.2 m，寬19.9 m，站臺寬11 m，車站中心里程處軌面埋深高程為123.034 m，覆土約5.5 m。

1.2工程地質(zhì)

本場地鉆探深度范圍（50 m）的地基土主要由人工填土和一般第四紀沉積土組成。按其成因、結(jié)構(gòu)特性、土性的不同和物理力學性質(zhì)上的差異，可分為5個大層，各地層結(jié)構(gòu)如下：全新統(tǒng)人工堆積層（Q4?ml，雜填土①）、上更新統(tǒng)哈爾濱組沖洪積層（Q3?2hr?al+pl，粉質(zhì)黏土（①）、粉質(zhì)黏土（②）、粉質(zhì)黏土（②-1））、中更新統(tǒng)上荒山組湖積層（Q2?2h?1，粉質(zhì)黏土（①）、粉質(zhì)黏土（②）、粉質(zhì)黏土（②-2））、中更新統(tǒng)下荒山組沖積層（Q2?1hl?al，粉質(zhì)黏土（①）、粉質(zhì)黏土（①-1）、細中砂（②）、粗砂（③）、粗砂（④））、下更新統(tǒng)東深井組冰水堆積層（Q1?2d?fgl，粉質(zhì)黏土（①）、粗砂（②））。

2現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場監(jiān)測是目前研究隧道圍巖變形一個重要手段，可以第一時間得到真實有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)場監(jiān)測，可以掌握圍巖穩(wěn)定與支護受力變形的動態(tài)和信息，并通過對圍巖和支護的變化、應(yīng)力量測，修改支護體系設(shè)計，指導(dǎo)施工作業(yè)?[4]。以前對于隧道的設(shè)計完全依賴于經(jīng)驗，但隨著理論分析手段的快速發(fā)展，其分析成果越來越被人們重視?[5]。所以，進行現(xiàn)場監(jiān)控量測，研究巖體的變形規(guī)律和穩(wěn)定性，可以很好的為其他類似工程提供經(jīng)驗，對于隧道理論的發(fā)展具有重要意義?[6]。

2.1監(jiān)測內(nèi)容及檢測頻率

針對隧道圍巖的變形，主要監(jiān)測其拱頂下沉和地表沉降。拱頂下沉測量是判斷支護效果、指導(dǎo)施工作業(yè)、確認圍巖穩(wěn)定性、保證施工質(zhì)量的基本方法;地表沉降對于淺埋隧道而言，是其判斷隧道圍巖穩(wěn)定性的一個重要標志?[7]。淺埋隧道通常位于軟弱、穩(wěn)定性較差的圍巖中，如果施工方法不當容易發(fā)生地表有害下沉，當?shù)乇碛薪ㄖ飼r會危及其安全?[8]。因此，地表沉降的量測可以為隧道的開挖速度和支護結(jié)構(gòu)的強度參數(shù)提供依據(jù)，以確保整個隧道結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的安全?[9]。拱頂下沉和地表沉降監(jiān)測斷面布置如圖1所示。

隧道地表沉降點布設(shè)方式：在每一導(dǎo)洞和扣拱正上方各布設(shè)一排測點，車站結(jié)構(gòu)開挖線外各布設(shè)兩排測點，測點間距5 m。拱頂下沉量測點布設(shè)方式：縱向每5 m一個斷面，與地表沉降監(jiān)測斷面相對應(yīng)?[10]。

當沉降或收斂速率大于2 mm/d（或?L≤B?時），1～2次/d;0.5～2 mm/d（或?B5 B?時），1次/周;基本穩(wěn)定后，1次/月。（?B為隧道直徑或跨度;L為?開挖面與監(jiān)測點的水平距離）

2.2拱頂沉降分析

拱頂下沉位移能夠直接反映圍巖的變形，也是監(jiān)控量測的重點。本文選取3號導(dǎo)洞SK25+490斷面上各監(jiān)測點為研究對象，對得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析整理，得到的沉降規(guī)律曲線如圖2和圖3所示?[11]。

根據(jù)圖2和圖3的沉降實測結(jié)果分析可知：

（1）拱頂位移隨時間的變化規(guī)律主要表現(xiàn)為：在隧道開挖前期，位移隨時間的增長迅速增大，當達到一定時間后位移增長速率呈緩慢趨勢，最后達到穩(wěn)定?[12]。圍巖的變形可總結(jié)為以下三個階段：急劇變形階段（8.23～9.3）隧道開挖后圍巖的初始變形速率很大，累積收斂位移占最終觀測收斂位移的80%左右;緩慢增長階段（9.4～9.11），變形速率開始減緩，這部分累積收斂位移約占最終觀測收斂位移的20%左右;基本穩(wěn)定階段（9.12～9.19），變形量基本不再增加，變形速率趨近于零，隧道圍巖趨于穩(wěn)定。

（2）從拱頂沉降歷時變化曲線來看，該斷面在檢測期間拱頂下沉量較小，最大值為1.5 mm，下沉與收斂速度呈收斂趨勢，表明隧道圍巖在開挖后及時的初期支護體系作用下變形較小。

（3）當開挖面距離測點一倍洞徑范圍內(nèi)時，沉降值較大，大于兩倍洞徑后沉降值明顯減小，這是由于隧道在開挖后及時的支護帶來的有利影響。

2.3地表沉降分析

地表沉降的監(jiān)測是現(xiàn)場監(jiān)控量測的重要組成部分。通過隧道開挖時的監(jiān)控量測，可以及時的掌握地表沉降的信息。以3號導(dǎo)洞SK25+465斷面上各監(jiān)測點為研究對象，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得到沉降量的變化過程，得到的沉降曲線如圖4和圖5所示。

根據(jù)圖4和圖5的沉降實測結(jié)果分析可知：

（1）由于同一斷面左、右線距離較近，同一斷面上左、右線的沉降數(shù)值和沉降規(guī)律較為相近，距離隧道中心線的距離越近，地表沉降越大?[13]。

（2）斷面左線上方的沉降值大于右線上方的沉降值，是由于左上導(dǎo)洞先開挖，再加上右上導(dǎo)洞開挖時使左上導(dǎo)洞周圍的土體受到擾動，所以在左線開挖時產(chǎn)生較大沉降。

（3）斷面累積沉降值變化較為平緩，無異?，F(xiàn)象出現(xiàn)，即隧道的下沉變形處于正常變形狀態(tài)。

3圍巖變形的數(shù)值模擬分析

3.1計算模型

采用FLAC3D有限差分軟件，結(jié)合隧道的實際開挖情況建立三維模型，對隧道的開挖-支護過程進行模擬計算。由于隧道開挖而引起應(yīng)力重分布的影響范圍為6倍洞徑，所以模擬的范圍取6倍洞徑，模擬隧道開挖長度為60 m，模型的左右邊界距離隧道邊界25 m，上下邊界的長度取45 m。數(shù)值模型的斷面形狀如圖6所示?[14]。

圍巖的力學模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型;初期支護（噴射混凝土）采用實體單元模擬，本構(gòu)模型為彈性模型。模型的左右邊界和底部均為單向約束位移邊界條件，模型頂部施加應(yīng)力邊界條件，圍巖的初始應(yīng)力為上覆土體的自重應(yīng)力?[15]。

3.2模擬結(jié)果分析

圖7為隧道圍巖在豎直方向的位移云圖。從圖中可以看出，拱頂?shù)淖畲蟪两抵滴挥趯?dǎo)洞中心線的正上方，最大沉降為12.5 mm，與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相比偏大，但差值很小。

圖8為地表沉降的位移云圖，由數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，隧道在初期支護的條件下開挖引起的地表沉降，在隧道中心線的正上方處最大，為11 mm。從圖8中可以明顯的看出隧道開挖形成的地表沉降槽，在同一斷面，在隧道軸線正上方沉降值最大，距離隧道軸線距離越遠沉降量越小，逐漸趨于穩(wěn)定?[16]。且地表累積沉降量隨埋深的增大而減小。

以縱向20 m處斷面為研究對象，整理拱頂隨開挖面變化的沉降數(shù)據(jù)，繪制曲線圖如圖9所示。由沉降曲線分析可知，隨著開挖面的向前推進，圍巖變形主要經(jīng)歷了從急劇變形到逐漸緩和，最后達到平穩(wěn)三個狀態(tài)。為初期支護體系的施工時間和預(yù)報圍巖變形提供理論依據(jù)?[17]。

4結(jié)論

本文以哈爾濱地鐵二號線南直路站暗挖段為背景，結(jié)合典型斷面的相關(guān)數(shù)據(jù)，進行具體分析。并采用FLAC3D軟件對隧道在初期支護條件下的開挖過程進行了模擬，通過圍巖在豎直方向的位移云圖與現(xiàn)場變形實測數(shù)據(jù)的對比，分析得出如下結(jié)論。

（1）通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的分析，隧道的地表沉降在斷面中心線正上方變形最大，距離軸線越遠沉降量越小，并且隧道開挖面距離觀測點一倍洞徑范圍內(nèi)時沉降速率較大，大于兩倍洞徑后沉降速率減緩，逐漸趨于平穩(wěn)。

（2）從拱頂下沉和地表沉降的變化曲線可以看出，二者之間是相互影響的，拱頂下沉過大，相應(yīng)的地表沉降也會呈現(xiàn)相似的變化趨勢。

（3）根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果得知圍巖的沉降數(shù)值較小，處于沉降控制標準范圍之內(nèi)，是由于隧道在開挖的過程中及時的進行初期支護，經(jīng)過一段時間的應(yīng)力調(diào)整，使支護體系的受力趨于穩(wěn)定。

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值分析的圍巖變形規(guī)律相似度較高，證明了數(shù)值模型的合理性，所得規(guī)律，為相似隧道工程的安全施工提供借鑒。

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