变跨度隧道施工引起的地表沉降万芳

变跨度隧道施工引起的地表沉降

摘 要: 针对某地铁叉口变跨度隧道的施工方案进行了离心模型试验，模拟了隧道采用双侧壁导坑法施工时地表沉降随各开挖步施工的变化规律，同时对相接变跨度隧道施工对地表沉降的相互影响进行了模拟试验，试验预测了隧道施工中地表沉降的发生、发展、收敛的全过程，所得结果对同类工程具有一定的参考价值。 浅埋隧道开挖引起的地表沉降的理论研究可分为经验公式法、理论解析法以及数值模拟法等3 类方法。 经验法以Peck 法[1 ] 为代表，这类方法在估算地表沉降时由于回避了围岩的力学性质，其计算结果一般与现场的实测资料存在较大的差别。 理论解析法根据岩土体的变形特点，可以分别将围岩视为弹性、弹塑性、粘弹塑性体来考虑，但只能对较简单的边界条件和初始条件给出解答，而且这类方法基本上都假定地层为均匀的、轴对称的平面应变问题[ 2 ] ，难于模拟施工过程，故其应用受到很大的限制。 数值模拟法因其灵活性能够不同程度地模拟隧道施工过程，其中平面应变分析法由于不能考虑开挖面附近围岩的空间效应，因而它只能近似地反映隧道横截面上的部分特征。

目前数值模拟大都采用三维分析与二维横截面分析相结合的办法[ 3 ]。 考虑到地层变形的三维特性，对隧道开挖进行真三维计算是必要的，但关于这方面的报道却很少见到。 事实上要预测隧道开挖引起的地表沉降，除了采用理论分析方法外，进行物理模拟是一种行之有效的方法，特别是近年来随着土工离心试验技术的发展，土工离心试验被越来越多地应用于实际工程预测和设计验证[ 4. 5 ] ，取得了很好的效果。 本文拟以离心试验为手段来预测某地铁叉口变跨度隧道施工所引起的地表沉降及其变化规律。 1 工程概况 某市地铁的叉口隧道穿越的地层主要为粉质粘土、残积土、淤泥质粉质粘土、中—强风化含砾砂岩、砂砾岩、强—微风化安山岩;区间地下水主要为浅层孔隙水、基岩裂隙水。 其地层分布详见图1 ， 其中⑤-e 层的承载力为90～110 kPa ，J31 -1 层承载力为250～300 kPa ， 上述两层均属于Ⅱ 类围岩，其余地层的物理力学指标。 叉口隧道在跨度上不是渐变的，而是以“台阶”的形式变化。 变跨度隧道的最大跨度为 17。 00 m ， 最小隧道跨度为11。 55 m。 叉口隧道共由6 个跨度不同的断面组成。 给出了各变跨度隧道的主要几何参数，该大跨度渡线隧道群的跨度大，隧道区段长度小，相接隧道相互影响大， 不仅存在施工上的干扰，而且存在对围岩扰动的相互影响和叠加。

叉口隧道开挖施工方案拟采用从跨度大的隧道向跨度小的隧道方向开挖即中从K10 + 385。 70 向K10 + 435。 20 方向开挖。 其中第一、二过渡段隧道拟采用双侧壁导坑法施工；第三、四过渡段采用CRD 工法施工；第五、六过渡段采用台阶法施工。 本变跨度隧道所采用的辅助工法为小导管超前注浆，加固范围为拱顶150° 。 本工程变跨度隧道的结构复杂，施工工序多，结构受力转换多，隧道上部地下埋设有给水、排水、电力、电信等多种管线，故正确预测隧道施工可能引起的地表沉降具有十分重要的意义。 2 离心模型试验 2. 1 试验设备简况本次试验在同济大学沪西校区的L -30 型离心机上进行。 该机容量为20 g ×t ， 模型箱最大尺寸42 cm ×25 cm ×31 cm ， 模型箱一侧为透明可拆装的有机玻璃板，在该侧围岩上按2 cm ×2 cm 的方格布设带大头针的塑料粒子作为位移标志，通过高速同步数码摄影系统在试验的不同阶段进行成像，通过计算机图形处理软件来分析围岩的变形情况。 2. 2 试验基本原理隧道位于残积土和风化安山岩中，开挖施工引起的地层移动可简化为弹塑性问题，其控制方程为[6 ] ρui = 9σij/9 xj+ Fi； F3 (ε，εp，k) = 0； dσ =Ddε =-dλ(9 F/9ε)(1) 根据本工程的地质特点进行等效能比试验，由式(1) 可导出离心试验的相似判据如下: Cρ =1；Cσ =1； Cε =1；CL =1/ N；Cc = C =1；Ct =1/N2。 式中: C为相似参数，等于模型和原型对应量的比值； N 为试验的模型率，等于离心加速度和重力加速度的比值；下标ρ，σ，ε，L ，c， ，t 分别代表材料密度、应力、应变、几何尺寸、粘聚力、内摩擦角和时间。 隧道开挖横向影响范围按45°- 2. 3 模型材料的制备和选取 第⑤-e 和J31 -1 层土体通过在试验室内人工配置，通过无侧限抗压强度控制配比，然后在模型箱中夯实来完成这些土层的设置；第④-b1 -2层可塑软塑状粉质粘土在现场取相应地层的土体，通过试验室重塑、固结来完成，通过直剪试验参数c和 控制其指标。 隧道的初衬按照等效刚度相似原则选用与钢筋混凝土密度、泊松比相近，物性稳定的L Y2 型铝材作为相似材料，经计算所需的铝材厚度为1.4 mm。 2. 4 试验模拟的施工顺序 设计方案拟采用从第一过渡段向第六过渡段方向施工，其开挖步长根据各过渡段的长短分别为4. 5 ～6. 0 m ，第一、二过渡段通过一个开挖循环完成，其余过渡段分别通过两个开挖循环完成；相接过渡断面横截面差异部分的岩土体用混凝土封闭。 3 第一过渡段施工引起的地表沉降 第一过渡段隧道跨度为17. 00 m ，高度为10.713 m ，隧道覆土厚度为13.2 m。 采用双侧壁导坑法施工，导坑最大宽度为5.7 m ，最大高度为7. 98 m ，其中上导坑高为4.2 m ，开挖步长为4.5 m。 其具体的施工步骤为:两侧小导洞超前预注浆两侧上导坑开挖两侧上导坑支护两侧下导坑开挖两侧下导坑支护中导洞小导管超前预注浆中上部开挖中心拱部支护中心下台阶开挖中心下部支护拆除临时支撑、铺设防水层、浇筑仰拱铺设防水层、模注二衬混凝土。 在进行离心试验时模型断面通过四步开挖来完成:第一步为两侧上导坑开挖，按设计要求挖去断面上一定范围的模型土，再一次性加入初衬，加载至140 g ，获得不同加速度下的数码照片；停机后再进行第二步开挖，即两侧下导坑开挖，加入初衬，然后开机进行试验；第三步中心上部土体的开挖类似；第四步中心下台阶开挖，待中心上部开挖土体开挖试验停机后，整个断面一次成型，加入初衬进行试验。第一过渡段施工模拟时，断面K10 + 385.7 的地表沉降曲线随开挖步的变化。 试验显示当两侧上导坑开挖结束后,地表最大沉降仅0. 7 mm;当两侧下导坑开挖结束后，地表的最大沉降为7. 0 mm；当中心上部土体开挖结束后,地表的最大沉降为18. 0 mm；当中心下台阶开挖工作结束后，地表的最大沉降进一步扩大，达到27. 0 mm;地表沉降主要发生在开挖中心土体阶段，中心土体开挖阶段地表。 沉降量占总沉降量的74 %，可知,随着双侧壁导坑法4 个开挖步的进行，地表沉降横向影响范围也逐渐增大。在第一过渡段开挖结束后，其最大地表沉降横向影响范围约为53 m， 在该范围内的建筑物应加强监测，以确保其安全。

地表沉降曲线显示，地表的最大沉降发生在隧道中心线的正上方。为了弄清地表的沉降组成和来源，把第一过渡段施工结束后隧道中心线上各点的沉降加以整理，第一过渡段施工地表沉降随开挖步的变化曲线示。拱顶的位移为13. 4 mm，仅占地表总沉降 量的49. 6 % ，其余13. 6 mm 的沉降来自于土层断面K10 + 385. 7 在垂直轴线围岩的沉降的自身的变形，其中厚度为11. 0 m 的第④-Tab。 3 Stratum settlement on the symmetrical axis of b1 -2层变形量为12. 5 mm ， 占土层自身变形总section K10 + 385.7 量的91. 9 %; 随着土层离隧道洞顶垂直距离的测点距拱顶的垂直距离/m 围岩沉降量/ mm 相邻测点的沉降增量/ mm 0.0 13。 4 增大，单位土层厚度的沉降变形增量在逐步减2. 0 16。 3 2. 9 小，但总沉降量却在不断增加。 试验过程中发现开挖面有向隧道内涌土的现象，这表明④ b1 -2层可塑状粉质粘土的自稳能力和成拱能力较差，在施工中对掌子面必须采取一定的加固措施。 4 相接变跨度隧道施工对地表沉降的影响 由于变截面隧道跨度变化多，各区段的长度较短，最长的仅为12.0 m ， 而隧道的跨度较大，最小跨度为11. 55 m ， 因而相接变跨度隧道区段施工对已经完成的隧道区段顶的地表沉降必然存在空间叠加效应。 为了弄清相接断面隧道施工对地表沉降的空间影响，在完成第一过渡段跨度为17。 00 m 的隧道开挖后，在模型试验中继续对跨度分别为16.10 m 及14. 95 m 的第二过渡段和第三过渡段进行开挖。 这两个区段施工对断面K10 + 385.70 的地表沉降的影响， 其最大影响值分别为5.0 mm 和2. 0 mm，地表最大沉降值的变化分别为18.5 % 和7. 4 % ， 累计变化达到25.9 % ， 该断面的最大地表沉降最终为34.0 mm。 断面K10 + 385. 70 的地表最大沉降完整发展过程。 图中显示地表沉降存在一个发展、加速、减速直至逐步稳定的过程，其加速过程主要存在于隧道中心土体开挖阶段。 在第三过渡段施工结束后，其变形已渐趋稳定。 第四过渡段的覆土厚度为15.1 m ， 跨度为13.6 m。 该过渡段施工结束后断面K10 + 405.2 的地表最大沉降为22. 0 mm ， 跨度分别为12.55 m 和11.55 m 的第五、第六过渡段施工使该断面的地表最大沉降分别增加4.0 mm 和3。 0 mm ， 其影响分别达到18. 2 % 和13.6 % ， 累计影响达到31. 8 % ， 最大地表沉降最终为29. 0 mm。 断面K10 + 405。 2 的地表沉降受相接变跨度隧道施工的影响曲线。

断面K10 + 385. 7 的地表最大沉降随各工况的变化曲线 29. 0 mm。 随着覆跨比的增大，即隧道的相对埋深增大，则隧道施工引起的地表沉降将减少。断面K10 + 405.20 地表沉降随相接变跨度施工的变化曲线。 (1) 物理模拟的试验结果表明，隧道采用双侧壁导坑法施工时，其对环境的影响主要发生在中心土体开挖阶段。 对跨度为17. 00 m 的隧道开挖试验模拟结果表明，中心土体开挖阶段地表的沉降占该断面开挖所引起的总沉降的74 % ， 且随着开挖步的进行，地表沉降横向影响范围不断扩大。 试验结果同时表明，隧道掌子面存在局部失稳现象，导致地表沉降较拱顶沉降更大。 为了有效地控制地表沉降，不仅重视初次支护的及时性，同时对掌子面采取必要的加固措施是必要的。 (2) 在隧道施工的过程中，地表最大沉降发生在隧道中心线的正上方。 对于跨度为17.00 m 、覆跨比为0. 78 隧道的地表最大沉降为34. 0 mm ; 跨度为13.60 m 、覆跨比为1.11 隧道的地表最大沉降为29. 0 mm。 表明隧道的相对埋深越大，隧道施工所引起的地表沉降越小。 (3) 相接不同跨度的隧道施工对地表的沉降存在叠加影响，但对沉降的横向影响范围不会带来变化。 本试验条件下，其对地表最大沉降量值的影响达到25. 9 %～31.8 % ， 但随着隧道开挖面的不断前移，地表沉降受开挖面的空间影响逐渐减少。 (4) 本文模拟的变跨度隧道作业方向是从跨度大的断面向跨度小的断面方向开挖，相接隧道施工所引起的地表沉降相对改变量最小值已达25. 9 %。 可以预见，对于等跨度隧道而言，相接隧道施工所引起的围岩位移场相对改变量将更大，因而采用平面应变分析法来预测围岩的变形，所得计算结果将比实际的结果明显偏小，从而可能导致对隧道施工所引起的环境问题估计不足。 故在进行数值模拟时，应充分重视开挖面附近围岩的空间效应对计算结果所产生的影响。查阅：已获批28个城市的轨道交通线路规划详解图（更新中）查阅：2012年全国各省市城市轨道交通项目概览（更新中）查阅：城市轨道交通中标企业

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