不同覆跨比下洞樁法導(dǎo)洞開(kāi)挖引發(fā)地表變形規(guī)律研究

劉運(yùn)思，牟天光，郭 磊，楊玉平，杜憲武

(1.湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測(cè)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；3.中鐵北京局集團(tuán)工程有限公司，北京 102308；4.中鐵北京局集團(tuán) (天津)工程有限公司，天津 300000)

0 引言

隨著我國(guó)城市建設(shè)的快速推進(jìn)，許多中大型城市地面交通擁堵極其嚴(yán)峻，地鐵建設(shè)可以有效緩解地面交通擁堵問(wèn)題。而地鐵車站周邊構(gòu)筑物密集、交通流量大，施工過(guò)程中需盡量減小對(duì)交通的影響以及確保周邊構(gòu)筑物的安全[1-2]。洞樁法作為淺埋暗挖法之一，具有對(duì)周邊環(huán)境影響小、確保交通正常通行的特點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者對(duì)洞樁法施工地鐵車站引發(fā)的地表變形規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)的研究，任建喜等[3]分析了不同導(dǎo)洞施工順序引起的地表變形規(guī)律；劉加柱[4]得出了“先邊后中”的導(dǎo)洞開(kāi)挖順序?qū)Φ乇碜冃斡绊戄^小的結(jié)論；張海明[5]采用數(shù)值分析方法，分析了洞樁法整個(gè)施工過(guò)程中每個(gè)階段的地表變形量，得出了導(dǎo)洞施工階段所引起的地表變形量占整個(gè)施工過(guò)程中總沉降量的比例最大。洞樁法[6-15]施工地鐵車站過(guò)程中，先期導(dǎo)洞施工階段引發(fā)的地表變形量占整個(gè)施工過(guò)程中的總沉降量的比例最大，約占50%以上。

覆跨比是影響淺埋隧道地層變形和破壞的重要因素之一。劉俊等[16]研究表明，當(dāng)覆跨比較小時(shí)，圍巖的自承能力弱，圍巖塌落速度快，塌落體積少，形成塌穿型塌方；當(dāng)覆跨比為3.0時(shí)，形成了淺埋壓力拱，破壞已不能到達(dá)地表；當(dāng)覆跨比為2.5時(shí)，圍巖塌落形成的塌落體體積及破裂區(qū)影響區(qū)域最大。呂連勛等[17]研究了地面超載環(huán)境中覆跨比對(duì)淺埋隧道的變形與受力特征等開(kāi)挖穩(wěn)定性規(guī)律,當(dāng)覆跨比小于0.2時(shí)，圍巖的破壞程度嚴(yán)重，出現(xiàn)地表、拱頂沉降變形不收斂的現(xiàn)象。王旭東等[18]表明，從上到下依次由填土、黏性土、砂以及風(fēng)化程度不同的花崗巖組成的“上軟下硬”型的地質(zhì)條件，隧道極限覆跨比不應(yīng)小于0.419。茅為中等[19]得出地鐵隧道不同覆跨比和高跨比對(duì)地表沉降的影響規(guī)律曲線, 指出地鐵隧道的覆跨比和高跨比均以大于1.0為最佳比值。

綜上，本研究以北京地鐵十七號(hào)線十里河車站工程為依托，建立洞樁法導(dǎo)洞開(kāi)挖數(shù)值模型，分析了埋深、跨度、開(kāi)挖順序、導(dǎo)洞數(shù)量和地層參數(shù)多因素影響下地表變形規(guī)律，為類似工程中施工步序、地層加固和導(dǎo)洞參數(shù)設(shè)計(jì)提供一定參考依據(jù)。

1 十里河車站工程概況

1.1 工程概況

十里河車站為地下雙層(局部三層)、雙柱三跨結(jié)構(gòu)，車站長(zhǎng)315.8 m，寬25.5 m，車站頂板覆土厚為7.6～12.9 m。本車站設(shè)上下兩層共8個(gè)施工導(dǎo)洞。上下層導(dǎo)洞開(kāi)挖寬度4.2 m，開(kāi)挖高度4.8 m。初期支護(hù)厚度為0.3 m，采用縱向間距為0.5 m格柵鋼架加噴射C20混凝土進(jìn)行支護(hù)。

1.2 工程地質(zhì)條件

本車站地質(zhì)自上而下劃分為8層土層：雜填土①1層、素填土①層、粉細(xì)砂③3層、粉質(zhì)黏土④2層、粉細(xì)砂⑥3層、粉質(zhì)黏土⑥層、中粗砂⑦1層、粉質(zhì)黏土⑧層。表1為土層物理力學(xué)參數(shù)表。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

1.3 十里河站導(dǎo)洞開(kāi)挖方法

十里河車站采用洞樁法施工，導(dǎo)洞開(kāi)挖方案為先開(kāi)挖上層導(dǎo)洞后開(kāi)挖下層導(dǎo)洞，同層同側(cè)導(dǎo)洞相互錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖。開(kāi)挖順序依次為①→③→②→④→⑤→⑦→⑥→⑧。圖1為工程概況及導(dǎo)洞編號(hào)圖。

1.4 監(jiān)測(cè)方案

選取本車站里程為K16+521.962的斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實(shí)際工程施工過(guò)程中，上下8個(gè)導(dǎo)洞開(kāi)挖是動(dòng)態(tài)過(guò)程。本研究不考慮導(dǎo)洞之間掌子面沿導(dǎo)洞軸線錯(cuò)距大小的影響，當(dāng)上下導(dǎo)洞的掌子面超過(guò)K16+521.962斷面向前掘進(jìn)10 m后作為地表最終沉降量。圖2為地表變形監(jiān)測(cè)平面圖。

圖1 工程概況及導(dǎo)洞編號(hào)圖(單位:m)

圖2 地表變形監(jiān)測(cè)平面圖(單位:m)

2 數(shù)值模型建立及驗(yàn)證

2.1 模型建立

本研究采用FLAC3D建立數(shù)值分析模型，模型左右邊界各取2倍車站寬度，底邊界取2倍車站的高度，縱向取20 m，建立X×Y×Z=125 m×20 m ×70 m三維數(shù)值分析模型。模型X方向左右邊界、Y方向前后邊界和Z方向底邊界的位移進(jìn)行約束，模型的上表面按自由變形邊界考慮。模型假定土層服從Mohr-Coulomb本構(gòu)理論，導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元，服從彈性本構(gòu)理論。通過(guò)使用null命令后設(shè)定分析步step為50來(lái)模擬導(dǎo)洞的應(yīng)力釋放，之后對(duì)導(dǎo)洞初支進(jìn)行彈性求解來(lái)達(dá)到平衡，循環(huán)以上步驟進(jìn)行不同的導(dǎo)洞開(kāi)挖。圖3為數(shù)值分析模型圖。

圖3 數(shù)值分析模型(單位:m)

圖4 導(dǎo)洞開(kāi)挖地表沉降監(jiān)測(cè)與數(shù)值分析對(duì)比

2.2 模型驗(yàn)證

圖4為十里河車站K16+521.962斷面導(dǎo)洞開(kāi)挖地表沉降監(jiān)測(cè)與數(shù)值分析對(duì)比。根據(jù)十里河車站K16+521.962斷面導(dǎo)洞開(kāi)挖的順序進(jìn)行數(shù)值模擬，將模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，由圖4可知，數(shù)值分析地表變形結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地表變形結(jié)果大致吻合。整體地表變形規(guī)律表現(xiàn)為在車站中軸附近地表變形量最大，向車站兩邊橫向方向逐漸變小，形成一個(gè)沉降“凹槽”的變形規(guī)律。模型計(jì)算結(jié)果比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)變形量小3 mm左右，這是由于模型中不同土層概化為水平均勻分布，而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的土層為各向異性，模型中考慮圍巖的應(yīng)力釋放可能與現(xiàn)場(chǎng)圍巖擾動(dòng)存在一定的差異，模型中圍巖應(yīng)力釋放略小而引起的，但是模型計(jì)算結(jié)果整體變化趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地表變形規(guī)律基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值分析模型具有一定的合理性。

3 不同覆跨比下導(dǎo)洞開(kāi)挖地表變形規(guī)律

3.1 覆跨比方案設(shè)計(jì)

地鐵車站受地層環(huán)境的影響以及線路設(shè)計(jì)的要求，上導(dǎo)洞的埋深一般為6～15 m左右，導(dǎo)洞的跨度因邊樁或者車站結(jié)構(gòu)施工需求也會(huì)存在一定的差異，導(dǎo)洞跨度一般為3～6 m之間。本節(jié)假定覆跨比Q等于上層導(dǎo)洞的埋深H與導(dǎo)洞的跨度D之比，假定上下層導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)形式一樣，開(kāi)挖順序依次為①→③→②→④→⑤→⑦→⑥→⑧。表2為不同覆跨比計(jì)算工況。

3.2 不同埋深導(dǎo)洞開(kāi)挖地表變形規(guī)律

假定導(dǎo)洞跨度為4.2 m，上層導(dǎo)洞埋深分別為

表2 不同覆跨比計(jì)算工況

圖5 不同埋深導(dǎo)洞開(kāi)挖地表沉降曲線

6，8，10，12和14 m，導(dǎo)洞開(kāi)挖引起地表沉降如圖5所示。由圖5和數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)覆跨比為1.4，1.9，2.4，2.9和3.3時(shí)，地表最大沉降值分別為53.2，45.5，39.7，32.9和25.3 mm。在導(dǎo)洞開(kāi)挖跨度不變的情況下，隨著上層導(dǎo)洞埋深的增加，即導(dǎo)洞覆跨比的增加，導(dǎo)洞上方地表沉降量減小。隨著導(dǎo)洞上覆土層厚度的增加，地層的自穩(wěn)能力增加，圍巖的擾動(dòng)范圍有限，在遠(yuǎn)離導(dǎo)洞開(kāi)挖區(qū)域的土層受擾動(dòng)較小，拱效應(yīng)逐漸發(fā)揮作用。

圖6 不同跨度導(dǎo)洞開(kāi)挖地表沉降曲線

3.3 不同跨度相同埋深導(dǎo)洞開(kāi)挖地表變形規(guī)律

假定導(dǎo)洞埋深為8 m，導(dǎo)洞跨度分別為3.3，4.2，4.8和5.8 m，導(dǎo)洞開(kāi)挖引起地表沉降如圖6所示。由圖6和數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)覆跨比為1.4,1.7,1.9和2.4時(shí)，地表最大沉降值分別為50.9,48,45.5和43.6 mm。當(dāng)上層導(dǎo)洞的埋深相同，隨著導(dǎo)洞開(kāi)挖跨度的減小，即導(dǎo)洞覆跨比的增加，地表沉降量減小。隨著導(dǎo)洞的開(kāi)挖跨度減小，導(dǎo)洞上部拱圈的半徑減小，導(dǎo)洞圍巖松動(dòng)圈的擾動(dòng)范圍減小，從而地層損失變小，同時(shí)松動(dòng)土層的整體重力減小，塌落速度變小，作用在導(dǎo)洞初支上的垂直和側(cè)向土壓力減小而引起的。

為了研究覆跨比中埋深和跨度對(duì)地表沉降的影響大小，通過(guò)對(duì)比圖5和圖6可知，圖5中不同埋深引起覆跨比Q從1.4增加至2.4，地表最大沉降值從53.2 mm減小至39.7 mm，減小量為13.5 mm，占比25.4%；圖6中不同跨度引起覆跨比Q從1.4增加至2.4，地表最大沉降值從50.9 mm減小至43.6 mm，減小量為7.3 mm，占比14.3%。因此，埋深相比跨度，對(duì)地表沉降影響更大。

4 不同導(dǎo)洞開(kāi)挖方案地表變形規(guī)律

4.1 導(dǎo)洞開(kāi)挖方案

洞樁法車站導(dǎo)洞開(kāi)挖數(shù)量較多且導(dǎo)洞間距較小，導(dǎo)洞開(kāi)挖后會(huì)產(chǎn)生明顯的“群洞效應(yīng)”，不同導(dǎo)洞的開(kāi)挖順序?qū)Φ貙拥挠绊懬闆r不一樣。同時(shí)，將邊樁嵌固深度加大，5，8號(hào)導(dǎo)洞可以取消，八導(dǎo)洞優(yōu)化為六導(dǎo)洞形式也能滿足車站結(jié)構(gòu)施工要求。圖7為六導(dǎo)洞示意圖，表3為導(dǎo)洞施工方案表。

圖7 六導(dǎo)洞示意圖

4.2 八導(dǎo)洞不同覆跨比下不同導(dǎo)洞開(kāi)挖順序地表變形規(guī)律

圖8為八導(dǎo)洞不同覆跨比不同導(dǎo)洞開(kāi)挖順序地表沉降圖。由圖8可知，在八導(dǎo)洞形式中：(1)當(dāng)覆跨比Q=1.4，1.9，2.4時(shí)，先開(kāi)挖上層導(dǎo)洞比先開(kāi)挖下層導(dǎo)洞的地表沉降值小，這是由于先開(kāi)挖上層導(dǎo)洞以后進(jìn)行了一定的土層卸載，并且初期支護(hù)對(duì)上層導(dǎo)洞圍巖起到了一定的阻止圍巖收斂作用。此時(shí)，下層導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)土壓力相比先開(kāi)挖下層導(dǎo)洞小；(2)在八導(dǎo)洞形式中，當(dāng)覆跨比Q=1.4，1.9，

表3 導(dǎo)洞施工方案表

2.4時(shí)，先開(kāi)挖邊導(dǎo)洞比先開(kāi)挖中導(dǎo)洞地表沉降值小，先邊后中優(yōu)于先中后邊方案，先邊后中比先中后邊方案所引起的地表沉降量最大可減小約5 mm，導(dǎo)洞最優(yōu)開(kāi)挖方案為先上后下，先邊后中。(3)當(dāng)覆跨比Q=1.4，1.9，2.4時(shí)，導(dǎo)洞開(kāi)挖先上后下比先下后上所引起的地表沉降量分別減小16，19，25 mm。隨著覆跨比的增加，先上后下與先下后上方案之間引起地表沉降差變大，表明覆跨比越大，先上后下方案更優(yōu)于先下后上方案。

圖8 八導(dǎo)洞不同覆跨比不同開(kāi)挖順序地表變形曲線

4.3 六導(dǎo)洞不同覆跨比下不同導(dǎo)洞開(kāi)挖順序地表變形規(guī)律

圖9為六導(dǎo)洞不同覆跨比下不同導(dǎo)洞開(kāi)挖順序地表沉降圖。由圖9可知，在六導(dǎo)洞形式中：(1)先上后下優(yōu)于先下后上方案，先上后下的方案可以有效減小土層沉降疊加效應(yīng)。(2)先中后邊比先邊后中方案所引起地表最大沉降量減小8 mm，先中后邊優(yōu)于先邊后中方案，這一點(diǎn)與八導(dǎo)洞形式正好相反。(3)隨著覆跨比的增加，先上后下與先下后上方案之間引起地表沉降差變大，表明覆跨比越大，先上后下方案更優(yōu)于先下后上方案。

圖9 六導(dǎo)洞不同覆跨比不同開(kāi)挖順序地表變形曲線

5 土層參數(shù)影響規(guī)律分析

為了研究不同覆跨比下地層參數(shù)引起地表沉降規(guī)律，采用八導(dǎo)洞開(kāi)挖方式，導(dǎo)洞開(kāi)挖順序?yàn)橄壬虾笙?，先邊后中，選擇覆跨比Q=1.4，1.9，2.4這3種工況進(jìn)行分析。圖10為不同覆跨比下地層參數(shù)與地表最大沉降量關(guān)系。由圖10可知，不同的覆跨比下，隨著內(nèi)摩擦角的增大，地表最大沉降值呈非線性減??；而隨著黏聚力的增大，地表最大沉降值呈線性減小。導(dǎo)致地表最大沉降值與摩擦角呈非線性關(guān)系，與黏聚力呈線性關(guān)系這一現(xiàn)象的原因，是與本研究數(shù)值分析方法本構(gòu)模型的選擇相關(guān)。選擇摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則：

τ=c+σtanφ,

(1)

式中，τ為土體的抗剪強(qiáng)度；σ為土體的法向應(yīng)力；c為土體的黏聚力；φ為土體的內(nèi)摩擦角。

從公式可以看出，黏聚力與應(yīng)力呈線性關(guān)系，而摩擦角與正弦值相關(guān)。但無(wú)論選擇何種本構(gòu)模型，隨著摩擦角和黏聚力的增大，地表最大沉降值減小。因此，在導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中，預(yù)先從地表或者沿導(dǎo)洞方向預(yù)注漿，提高圍巖強(qiáng)度，對(duì)減小地表變形起到良好的效果。

圖10 不同覆跨比下地層參數(shù)與地表最大沉降量關(guān)系

6 結(jié)論

依托十里河車站為工程背景，展開(kāi)不同覆跨比洞樁法導(dǎo)洞開(kāi)挖引起地表沉降變形規(guī)律研究，得到如下主要結(jié)論：

(1)洞樁法施工過(guò)程中，適當(dāng)增加上層導(dǎo)洞的覆跨比，可以有效地減小地表沉降量；導(dǎo)洞埋深相比跨度對(duì)地表沉降影響更大；在導(dǎo)洞設(shè)計(jì)過(guò)程中盡可能增加導(dǎo)洞的埋深來(lái)控制地表的變形。

(2)在八導(dǎo)洞和六導(dǎo)洞形式中，先開(kāi)挖上層再開(kāi)挖下層導(dǎo)洞引起地表沉降最?。话藢?dǎo)洞先開(kāi)挖邊導(dǎo)洞再開(kāi)挖中導(dǎo)洞引起地表沉降最小，而六導(dǎo)洞先開(kāi)挖中導(dǎo)洞再開(kāi)挖邊導(dǎo)洞引起地表沉降最小；隨著覆跨比的減小，先開(kāi)挖上層導(dǎo)洞和先開(kāi)挖下層導(dǎo)洞引起地表沉降的差異越來(lái)越小。

(3)隨著摩擦角和黏聚力的增大，地表最大沉降值減小。在覆跨比較小的情況下，導(dǎo)洞開(kāi)挖前對(duì)地層超前注漿加固，能夠有效減小地表最大沉降值。