任建喜 萬(wàn)永濤 張揚(yáng)洋 于松波 許世恒 劉 華

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，710054，西安∥第一作者，教授)

隧道開(kāi)挖施工引起地表沉降的規(guī)律一直是地鐵隧道安全施工中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一［1-3］。施工方法的差異，將導(dǎo)致隧道開(kāi)挖施工誘發(fā)不同程度的地表沉降。文獻(xiàn)［4］運(yùn)用有限元法分析了淺埋暗挖隧道CRD(交叉中隔壁)工法不同的開(kāi)挖順序?qū)Φ乇沓两档挠绊?。一旦開(kāi)挖施工引起的地表沉降超過(guò)允許值時(shí)，極易引起大面積的地表塌陷，進(jìn)而引發(fā)一系列的工程安全事故，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。因此，為確保施工和周圍建筑物的安全，對(duì)地鐵隧道開(kāi)挖施工引起的地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制是極為必要的［5］。本文以西安地鐵3號(hào)線胡家廟—石家街區(qū)間工程為例，采用FLAC 數(shù)值模擬軟件和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的手段對(duì)CRD 法施工引起的地表沉降規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工程概況

西安地鐵3號(hào)線胡家廟—石家街區(qū)間線路沿東二環(huán)自南向北行進(jìn)，下穿金花北路，區(qū)間全長(zhǎng)1 250 m。本文選擇隧道左線ZDK33 +116—ZDK33 +141區(qū)間進(jìn)行地表沉降規(guī)律的研究。該區(qū)間隧道采用CRD 法施工，并采用φ42 mm 的超前小導(dǎo)管注漿，對(duì)拱頂?shù)耐馏w進(jìn)行預(yù)加固，以改良地層的力學(xué)特性;在鋼拱架架立后及時(shí)噴射混凝土，盡早使支護(hù)結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)，改善整體結(jié)構(gòu)受力體系。布設(shè)范圍在拱頂150°，環(huán)向間距300 mm。對(duì)于超挖中出現(xiàn)的地層與拱頂間的空隙，及時(shí)注漿加固填充，以控制拱頂圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。具體的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。由于隧道開(kāi)挖斷面大，埋深較淺，并穿越f3 地裂縫，因此對(duì)開(kāi)挖施工引起的地表沉降有嚴(yán)格的控制。

該區(qū)間地鐵隧道穿越的主要地層是人工填土、第四系上更新統(tǒng)新黃土、飽和軟黃土、統(tǒng)古土壤、第四系中更新統(tǒng)老黃土、第四系中更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土。

該區(qū)間地下水高程介于 392.24～397.33 m 之間，勘察期間接近平水位期，水位變幅按2 m 考慮，流向主要為由北向西。擬建場(chǎng)地的地下水主要來(lái)自大氣降水、側(cè)向地下水徑流補(bǔ)給，潛水排泄方式主要為側(cè)向徑流排泄。對(duì)該區(qū)間地鐵隧道施工有直接影響的是地下潛水。為了減少地下水對(duì)隧道施工的影響，切實(shí)達(dá)到“無(wú)水作業(yè)”，隧道開(kāi)挖前應(yīng)對(duì)施工區(qū)域先進(jìn)行降水，使得水位降至隧道底板以下3 m 方可進(jìn)行開(kāi)挖施工。

圖1 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

2 地表沉降規(guī)律預(yù)測(cè)

2.1 建立計(jì)算模型

西安地鐵3號(hào)線隧道淺埋暗挖CRD 法施工段(ZDK33 +116—ZDK33 +141)開(kāi)挖斷面為9.00 m×9.035 m，隧道拱頂埋深10.6 m。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)及理論計(jì)算可知，隧道開(kāi)挖施工的影響范圍一般是洞徑的3 倍左右。預(yù)測(cè)沉降槽的影響寬度約為30 m。為減少隧道模型邊界條件對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)左、右邊界水平方向及底邊界豎直方向進(jìn)行約束，頂部自由。隧道模型的計(jì)算范圍為:隧道中軸線左右二側(cè)各取30 m，沿隧道開(kāi)挖方向?yàn)?5 m，地表面以下取40 m，故模擬區(qū)域?yàn)?0 m×40 m×25 m(長(zhǎng)×高 × 寬)。該模型的坐標(biāo)原點(diǎn)位于隧道的中線處。數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)中的地表沉降點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

隧道開(kāi)挖斷面處的網(wǎng)格按0.5 m 為一個(gè)單元，其他均按照1 m 為一個(gè)單元進(jìn)行劃分。由于隧道左線地表面處車流量較大，故在模擬計(jì)算中對(duì)地表施加附加荷載，附加荷載按15 kPa 計(jì)算。根據(jù)上述條件建立如圖3所示的隧道計(jì)算模型。

圖2 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

圖3 隧道計(jì)算模型

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算

在數(shù)值模擬計(jì)算中，土層采用摩爾—庫(kù)倫模型計(jì)算，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用線彈性模型計(jì)算。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，可知土層的基本物理力學(xué)指標(biāo)(見(jiàn)表1)。

CRD 法施工計(jì)算工況:為了較為真實(shí)地模擬CRD 法施工過(guò)程，模擬計(jì)算中嚴(yán)格按照現(xiàn)場(chǎng)施工方案進(jìn)行開(kāi)挖，以此來(lái)預(yù)測(cè)CRD 法施工誘發(fā)的地表沉降。具體的導(dǎo)洞開(kāi)挖順序見(jiàn)圖3。由于該區(qū)間采用了完善的降水設(shè)施，故模擬中不考慮地下水的影響。

表1 土層的物理參數(shù)指標(biāo)

2.3 FLAC 數(shù)值模擬軟件計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 隧道分步導(dǎo)洞開(kāi)挖造成的地表沉降分析

礦山法施工對(duì)地層變形的影響主要集中在豎直方向，現(xiàn)采用FLAC 數(shù)值模擬軟件對(duì)CRD 法施工不同開(kāi)挖步序?qū)Φ乇沓两档挠绊戇M(jìn)行研究，僅考慮導(dǎo)洞引起的累計(jì)地表沉降量，并選取1—1 斷面進(jìn)行研究分析。

在隧道施工開(kāi)挖過(guò)程中，由于CRD 法開(kāi)挖施工的時(shí)序性，造成地表沉降的中心會(huì)偏向首先開(kāi)挖的局部斷面，但隨著施工工序的不斷跟上，地表沉降的中心逐漸向中心偏移。每一步開(kāi)挖工序施工完成后引起的地表累計(jì)沉降量如圖4所示。

隧道開(kāi)挖工序的不同，將導(dǎo)致地表沉降變形的程度也不一樣，所以對(duì)CRD 法施工中不同導(dǎo)洞開(kāi)挖順序造成的地表沉降進(jìn)行分析是很有必要的。

(1)導(dǎo)洞1 的開(kāi)挖施工引起的地表變形較明顯，最大地表沉降量為4.62 mm，沉降變形的范圍在隧道中心走向左右10 m 范圍內(nèi)，沉降形成的沉降漏斗較平緩。

(2)導(dǎo)洞2 的開(kāi)挖施工造成的地層變形相對(duì)導(dǎo)洞1 的較大，地表沉降的范圍擴(kuò)大到隧道中心線左右20 m 范圍內(nèi)。

(3)導(dǎo)洞3 的開(kāi)挖施工完成后，隧道開(kāi)挖斷面中隔墻以上完全形成空洞，這對(duì)地層變形的影響極大。所以導(dǎo)洞3 開(kāi)挖完成后的地表沉降量突然大幅度增加，其中最大沉降量為9.23 mm，且隧道開(kāi)挖施工形成的地表沉降漏斗相對(duì)較陡。這主要是由于中隔墻以上斷面形成空洞后對(duì)地層的豎向影響較明顯，而對(duì)橫向影響相對(duì)較弱。

(4)導(dǎo)洞4 開(kāi)挖完成后，對(duì)地表沉降的影響加速，但比導(dǎo)洞3 的增速要小，最大地表沉降量為11.39 mm。導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后，隧道開(kāi)挖斷面形成完整的空洞，地表沉降變形的影響范圍在25 m 左右。

對(duì)最終沉降變化曲線研究分析知:隧道開(kāi)挖施工及支護(hù)過(guò)程中誘發(fā)的累計(jì)地表沉降最大值為15.76 mm，隧道導(dǎo)洞開(kāi)挖造成的地表沉降量占最終沉降量的72.34%，由此分析可知，影響地表沉降變形的因素主要來(lái)自隧道的開(kāi)挖施工。地表沉降變形形成的沉降漏斗明顯，影響范圍擴(kuò)大至隧道中心線左右倆側(cè)30 m 左右。地表沉降最大值位于隧道的中心軸線處，且引起的最終地表沉降能夠滿足地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3.2 隧道縱向地表沉降變形分析

隧道開(kāi)挖斷面距地表監(jiān)測(cè)斷面的距離與縱向地表沉降量的變化密切相關(guān)，沉降量的大小會(huì)隨著隧道開(kāi)挖施工工序的推進(jìn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化?，F(xiàn)選取典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)X3、A4、X6 的地表沉降量進(jìn)行分析研究。以隧道開(kāi)挖斷面距離典型地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離為橫坐標(biāo)，開(kāi)挖斷面到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之前的距離為負(fù)值，穿過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)距離值為正;以地表的最終累計(jì)沉降量為縱坐標(biāo)，由此可得典型地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離隧道開(kāi)挖斷面距離與地表沉降量的變化曲線。數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖5(縱向地表沉降變化圖)。由頭5 可見(jiàn)，在隧道開(kāi)挖斷面未到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，地表沉降的幅度較小，即所謂的先行位移;一旦開(kāi)挖斷面推進(jìn)到地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，隧道開(kāi)挖施工引起的地表沉降大幅度增大，且沉降速率較大。沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)X3、A4、X6 處的累計(jì)沉降量分別達(dá)到5.29 mm、4.54 mm、5.09 mm，該階段的累計(jì)地表沉降量占整個(gè)開(kāi)挖影響階段的20%～40%左右。該階段地表沉降較快的范圍基本處在開(kāi)挖斷面越過(guò)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)一倍左右的洞徑。之后由于隧道開(kāi)挖施工引起的地表沉降逐漸變?nèi)?，即隧道初襯發(fā)揮作用，隧道圍巖變形逐步達(dá)到穩(wěn)定。

2.3.3 隧道開(kāi)挖斷面橫向地表沉降變形分析

根據(jù)FLAC 數(shù)值模擬結(jié)果，針對(duì)隧道開(kāi)挖中圍巖特性及模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表沉降結(jié)果，結(jié)合1—1 剖面的橫向地表沉降變形結(jié)果，綜合預(yù)測(cè)地鐵隧道CRD 法施工引起的最終橫向地表沉降量。

圖5 縱向地表沉降變化圖

圖6 為橫向地表沉降變化曲線圖。經(jīng)研究分析可知，CRD 法施工引起地表沉降曲線圖呈現(xiàn)Peck 公式的變化分布趨勢(shì)，沉降槽明顯，沉降槽的影響范圍大約在隧道中心軸線左右兩側(cè)30 m。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工開(kāi)挖進(jìn)度，可知當(dāng)隧道開(kāi)挖斷面初襯封閉成環(huán)，支護(hù)體系承載能力提高，隧道圍巖變形逐步穩(wěn)定，即地表沉降變形也趨于穩(wěn)定。根據(jù)橫向地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，獲得該區(qū)間監(jiān)測(cè)斷面處地表沉降變形的最大值為15.76 mm，滿足地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 橫向地表沉降變化曲線圖

3 實(shí)測(cè)結(jié)果與FLAC數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

3.1 監(jiān)測(cè)方案

地表沉降量的大小能最直接地反映隧道開(kāi)挖施工支護(hù)措施是否得當(dāng)，為判斷隧道整體穩(wěn)定性提供準(zhǔn)確的信息。本施工段隧道下穿東二環(huán)道路，道路周邊建筑物較多，地表的沉降將影響到建筑物的安全及車輛的安全行駛。現(xiàn)選取該區(qū)段研究CRD 法施工對(duì)地表沉降的影響。

(1)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置。根據(jù)施工監(jiān)測(cè)要求，在區(qū)間ZDK33 +116～ZDK33 +141 進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)地表沉降點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖7。所布置的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)分為縱向地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)和橫向地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。使用精密監(jiān)測(cè)儀器Trimble 數(shù)字水準(zhǔn)儀對(duì)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)測(cè)量，每次將所測(cè)數(shù)據(jù)與上次數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，獲取本次測(cè)量的地表沉降量，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與地鐵隧道未開(kāi)挖前的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，由此可知隧道開(kāi)挖施工引起的地表沉降量累計(jì)值。在大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可得到CRD 法施工引起的地表沉降分布曲線及趨勢(shì)圖。

(2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)。地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)方法:公路上沉降點(diǎn)埋設(shè)，用沖擊鉆在地表鉆孔，然后放入圓頭螺紋鋼筋(長(zhǎng)200～300 mm，直徑18～22 mm)，四周用錨固劑或水泥漿填實(shí);豎井周邊硬化場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)布設(shè)采取套筒埋設(shè)的方式，如圖8所示。

(3)地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范及施工經(jīng)驗(yàn)制定地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)值，一般地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)是30 mm。

3.2 對(duì)比分析

圖7 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)地表沉降點(diǎn)布置圖

圖8 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)圖

在地鐵隧道施工過(guò)程中，由于附近建筑物及地下管線眾多，施工期間的安全至關(guān)重要。針對(duì)CRD法施工中的地表沉降，設(shè)計(jì)完善的施工方案及監(jiān)測(cè)方案，并運(yùn)用FLAC 數(shù)值模擬軟件對(duì)施工方法及工序的可行性進(jìn)行模擬分析;同時(shí)，運(yùn)用監(jiān)測(cè)儀器對(duì)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究，進(jìn)一步分析驗(yàn)證施工及監(jiān)測(cè)方案的合理性。數(shù)據(jù)對(duì)比分析圖見(jiàn)圖9。

關(guān)于隧道開(kāi)挖施工引起的縱向地表沉降，由圖9 可知，F(xiàn)LAC 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)基本保持一致，縱向地表沉降受隧道開(kāi)挖施工的影響范圍大概在2 倍左右的洞徑;現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)于數(shù)值模擬結(jié)果較大，這主要是由于在數(shù)值模擬中對(duì)地層進(jìn)行了簡(jiǎn)化設(shè)置，另外現(xiàn)場(chǎng)施工條件復(fù)雜，無(wú)法完全模擬現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖施工情況。FLAC 模擬的縱向地表沉降最大值為18.23 mm，而實(shí)測(cè)地表沉降最大值為19.47 mm，二者相差1.24 mm。根據(jù)地鐵隧道施工引起的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)可知，F(xiàn)LAC模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)地表沉降量均能滿足地表沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比分析圖

關(guān)于隧道開(kāi)挖施工引起的橫向地表沉降，由圖9 可知，F(xiàn)LAC 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)基本保持一致，隧道開(kāi)挖施工引起的最大地表沉降在隧道中心線左右處，這與經(jīng)驗(yàn)法Peck 的變化曲線保持了較好的一致性。FLAC 模擬的橫向地表沉降量最大值為15.76 mm，而實(shí)測(cè)地表沉降最大值為17.01 mm，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比數(shù)值模擬大8%左右。這主要是由于施工現(xiàn)場(chǎng)條件較為復(fù)雜，在數(shù)值模擬分析過(guò)程中，對(duì)附加荷載的作用范圍進(jìn)行了簡(jiǎn)化，未考慮土層中的孔隙水影響等因素。地表沉降實(shí)測(cè)值及數(shù)值模擬結(jié)果均滿足地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與FLAC 數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析，進(jìn)一步說(shuō)明了在該區(qū)間采用CRD 法施工的科學(xué)性、合理性和安全性。

4 結(jié)論

(1)CRD 法施工引起的縱向地表沉降基本遵循“緩慢變化—急劇變化—緩慢變化—基本穩(wěn)定”的規(guī)律，最大地表沉降值為19.47 mm。橫向地表沉降的變化基本遵循經(jīng)驗(yàn)法Peck 公式的變化規(guī)律，在隧道中心線上方的地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形突出，隧道中心線左右兩側(cè)的測(cè)點(diǎn)沉降變形較小，地表變化總體上呈現(xiàn)漏斗狀，沉降槽較明顯;橫向地表沉降影響范圍由隧道中心線向左右兩側(cè)達(dá)到3 倍左右的洞徑，最大地表沉降值為17.01 mm。

(2)淺埋大斷面隧道由于距離地表近、開(kāi)挖跨度大，再加之CRD 法施工工序復(fù)雜，使得施工工序?qū)Φ乇沓两档挠绊懞艽蟆Ｍㄟ^(guò)采用超前小導(dǎo)管注漿、及時(shí)架立鋼拱架及初支盡快封閉成環(huán)等控制措施，使得CRD 法施工誘發(fā)的地表沉降能滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。

(3)FLAC 數(shù)值模擬預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相吻合，均處在地表沉降變形的允許范圍之內(nèi)。這說(shuō)明淺埋大斷面隧道采用CRD 法施工能夠較好地控制地表沉降。

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