基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的暗挖隧道施工力學(xué)特性研究

丁垠博

摘要：為研究暗挖隧道施工時(shí)的力學(xué)特性，依托看丹站至榆樹莊站區(qū)間地鐵項(xiàng)目，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)礦山法暗挖施工時(shí)導(dǎo)洞收斂變形、地表沉降變形、圍巖壓力、鋼筋應(yīng)力以及孔隙水壓力等進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：地表沉降變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出明顯的階段性。導(dǎo)洞施工期間產(chǎn)生的沉降約占總沉降的70%左右。導(dǎo)洞收斂最大值約為9.8mm，滿足規(guī)范規(guī)定的位移控制值和最大變形收斂速率要求。在實(shí)際工程中，應(yīng)遵循“短進(jìn)尺、早封閉”的施工方針，以有效避免圍巖壓力突變的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：力學(xué)特性；暗挖隧道；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；圍巖壓力

0? ?引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，地鐵隧道工程越來越多。近年來，為了確保工程的施工質(zhì)量，相關(guān)技術(shù)人員針對(duì)隧道力學(xué)特性進(jìn)行了多項(xiàng)研究。

李義華等[1]依托鄭州地鐵3號(hào)線項(xiàng)目，對(duì)管幕結(jié)合CRD法施工的地表變形規(guī)律進(jìn)行了研究，建議地層加固施工時(shí)注漿不應(yīng)超過6%。劉石等[2]以長(zhǎng)春市軌道交通5號(hào)線人民廣場(chǎng)站項(xiàng)目為例，對(duì)一次扣拱暗挖法隧道開挖步序進(jìn)行了優(yōu)化，并基于高斯函數(shù)建立了地表沉降預(yù)測(cè)模型，對(duì)地表沉降進(jìn)行了預(yù)測(cè)。周希圣等[3]結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，通過數(shù)值模擬手段，對(duì)軟土地區(qū)地下束合管幕暗挖施工對(duì)地表沉降的影響進(jìn)行了對(duì)比分析。楊鳳梅、葉至盛[4]基于成都地鐵19號(hào)線天府商務(wù)區(qū)站項(xiàng)目，通過有限元方法建立了地層-車站結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，仿真模擬了開挖施工階段和運(yùn)營(yíng)階段上部既有車站的受力情況。高瑋等[5]提出一種通用于礦山法隧道的BIM建模方法，該方法符合工程管理與項(xiàng)目管理的要求，且建模效率更高，更能反映真實(shí)工程情況。蔣霞[6]以某地鐵工程為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段，對(duì)礦山法施工過程中地表沉降規(guī)律進(jìn)行了研究。

為了進(jìn)一步研究暗挖隧道施工時(shí)的力學(xué)特性，本文依托看丹站-榆樹莊站區(qū)間地鐵項(xiàng)目，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)礦山法暗挖施工過程中的導(dǎo)洞收斂變形、地表沉降變形、圍巖壓力和鋼筋應(yīng)力等進(jìn)行了研究。

1? ?工程概況

本文依托看丹站-榆樹莊站區(qū)間地鐵項(xiàng)目，該項(xiàng)目主要施工方法為礦山法施工，含臨時(shí)仰拱，分上下兩個(gè)導(dǎo)洞挖土、格柵架立、網(wǎng)噴成環(huán)。其中，左線區(qū)間的二襯結(jié)構(gòu)凈高為5.6m，凈寬度5.3m。右線區(qū)間二襯結(jié)構(gòu)凈凈高為6.0m，寬度為5.5m。初支結(jié)構(gòu)厚度0.35m，二襯結(jié)構(gòu)厚度0.5m。設(shè)臨時(shí)仰拱一道，臨時(shí)仰拱厚度為0.3m，區(qū)間浮土厚度為7.2～7.7m。

暗挖段施工時(shí)，采用Φ25×2.75mm焊接鋼管作為超前小導(dǎo)管，對(duì)拱部地層補(bǔ)充注漿。結(jié)構(gòu)基底設(shè)置承載樁，礦山法區(qū)間穿越地層主要為黏土層，富水性較高。

2? ?現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

以收集的現(xiàn)場(chǎng)施工和第三方監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，安裝土壓力盒、孔隙水壓力和鋼筋應(yīng)力傳感器于隧道斷面上。將地表沉降觀測(cè)點(diǎn)于導(dǎo)洞中心線的地表投影點(diǎn)，每隔10m布設(shè)一次變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。隧道斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況如圖1所示。

3? ?監(jiān)測(cè)分析

上下兩個(gè)導(dǎo)洞的礦山法暗挖施工進(jìn)度情況如圖2所示。觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)洞的施工順序?yàn)橄韧谏蠈?dǎo)洞，然后再進(jìn)行下導(dǎo)洞的開挖，掌子面距離約為30m。

3.1? ?沉降變形

3.1.1? ?隧道中線地表沉降

圖3展示了隨著開挖施工的進(jìn)行隧道中線地表沉降的變化情況。從圖3可以看出，在進(jìn)行施工開挖前，地表已出現(xiàn)約10mm沉降。地表沉降變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出明顯的階段性。在上下導(dǎo)洞施工前后地表沉降相對(duì)較為穩(wěn)定，上下導(dǎo)洞施工期間，沉降大幅度增加，且變形速率加快。導(dǎo)洞施工期間產(chǎn)生的沉降約占總沉降的70%左右。

由于地層具有較強(qiáng)的富水性，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，采用了管井降水與洞內(nèi)降水的措施，導(dǎo)致最終的沉降值較大，約為78mm。

3.1.2? ?導(dǎo)洞收斂變化情況

圖4展示了隨開挖施工導(dǎo)洞收斂的變化情況。觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)洞收斂變化曲線與地表沉降曲線較為類似，表現(xiàn)出了明顯的階段性。具體可分為4個(gè)階段，分別為較快下降階段、快速下降階段、緩慢下降階段以及穩(wěn)定階段。導(dǎo)洞收斂最大值約為9.8mm，滿足規(guī)范規(guī)定的位移控制值和最大變形收斂速率要求。

3.2? ?孔隙水壓力

圖5展示了拱底孔隙水壓力變化情況。從圖5可以看出，在通過洞內(nèi)真空泵降水階段，孔隙水壓力初期為負(fù)值，表明監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的傳感器埋置深度要高于地下水位。后基本為正值，表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定，無大幅度上升或下降，僅存在小范圍的波動(dòng)，約為5kPa大小。

而在地面管井降水階段，孔隙水壓力變化曲線大致可以分為兩部分：一部分是地面管井降水階段初期，孔隙水壓力較為穩(wěn)定，基本為負(fù)值，第二部分?jǐn)?shù)值較大，整體亦出現(xiàn)小范圍波動(dòng)，由第一部分突變而來。

3.3? ?圍巖壓力

3.3.1? ?上部監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖壓力

圖6展示了上部監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖壓力隨開挖施工的變化情況。觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在傳感器布置初期圍巖壓力波動(dòng)較大，這主要是由于采用上下臺(tái)階法施工導(dǎo)致的。

隨著施工的進(jìn)行，圍巖壓力逐漸穩(wěn)定，變化速率也保持在正常水平。對(duì)比各監(jiān)測(cè)點(diǎn)，拱腰圍巖壓力最大，峰值達(dá)到了82kPa；其次為拱肩位置處，圍巖壓力峰值達(dá)到了39kPa；圍巖壓力峰值最小的為拱頂位置處，由于深度較淺，圍巖壓力波動(dòng)和增長(zhǎng)速率均保持在較低的水平，呈現(xiàn)單調(diào)緩慢增加的趨勢(shì)，峰值為28kPa。

左拱肩位置處圍巖壓力變化最為劇烈，這是由于隨著下臺(tái)階的開挖，上臺(tái)階處于脫空狀態(tài)，圍巖壓力減小。而上導(dǎo)洞初支封閉完成后，圍巖壓力進(jìn)行了釋放，因此數(shù)值又出現(xiàn)了增大。下導(dǎo)洞開挖時(shí)也發(fā)生了類似情景。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)遵循“短進(jìn)尺、早封閉”的施工方針，以有效避免類似圍巖壓力突變的發(fā)生。

3.3.2? ?下部的拱腳監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖壓力

圖7展示了下部的拱腳監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖壓力隨開挖施工的變化情況。從圖7中可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)7和監(jiān)測(cè)點(diǎn)9的圍巖壓力變化曲線差異較大。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)7位置處，圍巖壓力除了在開始階段有波動(dòng)外，基本呈現(xiàn)單調(diào)增加的趨勢(shì)，變化速率除了停工階段外基本保持一致。

而監(jiān)測(cè)點(diǎn)9的圍巖壓力隨著開挖施工的進(jìn)行，出現(xiàn)先增加后保持穩(wěn)定、最后減小的變化趨勢(shì)。造成這種現(xiàn)象也是由于導(dǎo)洞的施工，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)9造成了顯著的影響，導(dǎo)致其圍巖壓力出現(xiàn)大幅度變動(dòng)。

3.4? ?鋼筋應(yīng)力

3.4.1? ?上部監(jiān)測(cè)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力

圖8展示了上部監(jiān)測(cè)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力隨開挖施工的變化情況。從圖8中可以看出，拱頂處的鋼筋應(yīng)力整體較為穩(wěn)定，除了小范圍突變外，均保持在80MPa左右。而拱肩和拱腰處的鋼筋應(yīng)力則單調(diào)下降。與圍巖壓力相比，兩者分布形式基本一致。

拱頂處鋼筋應(yīng)力基本為正應(yīng)力，鋼筋受拉。而拱肩處的鋼筋應(yīng)力在前期為正應(yīng)力，后隨著施工的進(jìn)行，鋼筋受力形態(tài)發(fā)生變化，逐漸向負(fù)應(yīng)力過度。而拱腰處的鋼筋應(yīng)力則均為負(fù)應(yīng)力，鋼筋受壓。

3.4.2? ?拱腳監(jiān)測(cè)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力

圖9展示了拱腳監(jiān)測(cè)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力隨開挖施工的變化情況。從圖9可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)7和監(jiān)測(cè)點(diǎn)9的拱腳鋼筋應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致，數(shù)值方面監(jiān)測(cè)點(diǎn)7的鋼筋應(yīng)力略大于監(jiān)測(cè)點(diǎn)9。與上部監(jiān)測(cè)點(diǎn)相比，拱腳處的鋼筋應(yīng)力均為負(fù)應(yīng)力，鋼筋應(yīng)力峰值最大的為監(jiān)測(cè)點(diǎn)3拱腰位置處，接近200MPa。

4? ?結(jié)束語

本文依托看丹站-榆樹莊站區(qū)間地鐵項(xiàng)目，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)礦山法暗挖施工時(shí)地表沉降變形、導(dǎo)洞收斂變形、孔隙水壓力、圍巖壓力和鋼筋應(yīng)力等進(jìn)行了分析。得出主要結(jié)論如下：

地表沉降變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出明顯的階段性。在上下導(dǎo)洞施工前后地表沉降相對(duì)較為穩(wěn)定，上下導(dǎo)洞施工期間，沉降大幅度增加，且變形速率加快。導(dǎo)洞施工期間產(chǎn)生的沉降約占總沉降的70%左右。

導(dǎo)洞收斂變形可分為較快下降階段、快速下降階段、緩慢下降階段以及穩(wěn)定階段4個(gè)階段。導(dǎo)洞收斂最大值約為9.8mm，滿足規(guī)范規(guī)定的位移控制值和最大變形收斂速率要求。

隨著下臺(tái)階的開挖，上臺(tái)階處于脫空狀態(tài)，圍巖壓力減小，上導(dǎo)洞初支封閉完成后，圍巖壓力進(jìn)行了釋放，圍巖壓力波動(dòng)較大。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)遵循“短進(jìn)尺、早封閉”的施工方針，以有效避免類似圍巖壓力突變的發(fā)生。

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