冀少鵬，葛克水，陳松，米陽

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京　10083）

淺埋暗挖地鐵區(qū)間變形穩(wěn)定性分析*

冀少鵬，葛克水，陳松，米陽

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京10083）

摘要：近年來，隨著地鐵建設(shè)的蓬勃發(fā)展，地鐵施工過程中引起地表變形規(guī)律的研究對(duì)后續(xù)施工起著越來越重要的指導(dǎo)作用。本文以北京地鐵十四號(hào)線某地鐵站區(qū)間為依托，運(yùn)用工程實(shí)測數(shù)據(jù)，結(jié)合有限元分析軟件Midas/ GTS進(jìn)行地鐵區(qū)間施工的數(shù)值模擬，分析施工過程中區(qū)間隧道斷面的變形規(guī)律，通過模擬結(jié)果與實(shí)際測量數(shù)據(jù)作對(duì)比，分析其產(chǎn)生差異的原因，模擬分析區(qū)間隧道左線、右線不同洞間距對(duì)圍巖變形及地表沉降的影響，提出地鐵區(qū)間開挖的最合適的洞間距。為以后類似工程提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：淺埋暗挖；數(shù)值模擬；變形規(guī)律；洞間距

本文引用格式：冀少鵬，葛克水，陳松，等．淺埋暗挖地鐵區(qū)間變形穩(wěn)定性分析[J]．新型工業(yè)化，2015，5（7）：41-46

Citation:JIShao-peng,GEKe-shui,CHENSong,etal.AnalysisontheDeformationStabilityofShallowBurying andUndergroundExcavationintheSubwaySection[J].TheJournalofNewIndustrialization,2015,5（7）:41-46.

1　概述

淺埋暗挖法作為地鐵施工的主要方法在眾多的實(shí)際工程中積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但是由于城市地下工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性、施工方法的難以模擬性、圍巖與結(jié)構(gòu)支護(hù)相互作用的復(fù)雜性等原因，使得對(duì)地鐵施工過程的變形穩(wěn)定性分析一直處在不斷探索的階段。本文根據(jù)北京地鐵14號(hào)線某區(qū)間段的實(shí)際施工情況，結(jié)合Midas/GTS有限元分析軟件深入研究地鐵區(qū)間施工過程中橫向斷面變形并與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，分析區(qū)間隧道左、右線不同的洞間距引起的圍巖變形規(guī)律和地表沉降變化。提出施工過程中減小圍巖變形的措施，討論區(qū)間隧道開挖最適合的洞間距，為以后類似工程提供參考。

2　工程概況

北京地鐵14號(hào)線某車站為大型換乘車站，采用雙柱三跨拱形結(jié)構(gòu)，兩站呈“T”型換乘。左線區(qū)間起止里程：左K14+504.386～K15+043.934，區(qū)間長度539.548m。右線區(qū)間起止里程：右K14+504.386～K15+043.934，區(qū)間長度539.548m；區(qū)間隧道覆土16.1～24.6m，采用礦山法施工。區(qū)間中部右K14+681.000處設(shè)置施工豎井及橫通道，結(jié)合施工橫通道設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，站端設(shè)置迂回風(fēng)道及人防段。區(qū)間沿線需下穿2處人行天橋及φ500mm中壓燃?xì)?、?00mm高壓燃?xì)狻ⅵ?000mm上水、φ600mm上水、φ9800mm污水、φ500mm～φ800mm雨水等大型市政管線。

區(qū)間正線施工采用正臺(tái)階預(yù)留核心土法施工。橫通道施工完成后，破開馬頭門進(jìn)行區(qū)間正線的開挖，隧道拱部采用超前小導(dǎo)管注漿加固地層，施工過程中采用格柵鋼架支護(hù)。正線應(yīng)對(duì)角施工，不可對(duì)側(cè)同時(shí)進(jìn)洞，待一側(cè)進(jìn)洞且初襯成環(huán)12m以上，方可進(jìn)對(duì)側(cè)正洞。左、右線同時(shí)開挖時(shí)，前后錯(cuò)開距離至少15m。進(jìn)尺嚴(yán)格控制在0.5m左右。

3　工程、水文地質(zhì)條件

本工程沿線場地地勢平坦，由西向東逐漸降低。場地勘探范圍內(nèi)的土層劃分為人工堆積層（Qml）、第四紀(jì)全新世沖洪積層（Q41al+pl）、第四紀(jì)晚更新世沖洪積層（Q3al+pl）三大層。區(qū)間隧道穿過的土層為中粗砂⑤1層、粉質(zhì)粘土⑥層、粉土⑥2層、粘土⑥1層、圓礫卵石⑦層、中粗砂⑦1層、粉細(xì)砂⑦2層。隧道圍巖分級(jí)為Ⅵ級(jí)，主要土層基本參數(shù)見表1。在本次勘察深度范圍內(nèi)，共發(fā)現(xiàn)兩層地下水，地下水類型為潛水（二）和承壓水（三）。本次勘察未見上層滯水，但由于大氣降水、管道滲漏等原因，沿線不排除局部存在上層滯水的可能性。

表1　主要土層參數(shù)Tab.1　The　parameters　of　the　main　soil

4　數(shù)值模擬

根據(jù)實(shí)際工程中的勘察數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)間隧道尺寸及所處地層特征，利用三維有限元分析軟件Midas/GTS建立模型，模型計(jì)算過程中采用摩爾—庫倫準(zhǔn)則，模型尺寸較大，選取埋深16.1～24.6m的區(qū)間段為研究對(duì)象。模型整體高度50m，模型區(qū)間開挖長度為60m，模型側(cè)向范圍為4倍洞室跨度，左右線洞距為實(shí)際1.4倍洞室跨度。模型底部限制垂直位移，側(cè)面限制水平位移，上邊界為自由邊界，模型共15360個(gè)單元，14632個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型網(wǎng)格如圖1所示。

圖1　模型網(wǎng)格劃分Fig.1　The　division　of　model　grid

所研究斷面處設(shè)置13個(gè)監(jiān)控測點(diǎn)，分別為DB-01～DB-13。測點(diǎn)布置如圖2所示，DB-04、DB-06為區(qū)間左線拱腳處對(duì)應(yīng)地表測點(diǎn)，DB-05為左線拱頂處對(duì)應(yīng)地表測點(diǎn)，DB-08、DB-10為區(qū)間右線拱腳處對(duì)應(yīng)地表測點(diǎn)，DB-09為右線拱頂處對(duì)應(yīng)地表測點(diǎn)，DB-07為左右線中間位置對(duì)應(yīng)地表測點(diǎn)。

圖2　測點(diǎn)布置圖Fig.2　The　Layout　of　measured　points

5　結(jié)果分析

5.1區(qū)間隧道變形規(guī)律

洞室縱向開挖處設(shè)置斷面，斷面橫向布置測點(diǎn)13個(gè)，按照?qǐng)D2進(jìn)行測點(diǎn)布置。為了清晰表明地表沉降的變化過程，將施工過程分為四個(gè)階段進(jìn)行分析，第一、二階段為左線開挖右線還未開挖階段，第三、四階段為左線右線共同開挖階段。為了加強(qiáng)結(jié)果的對(duì)比分析，將模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的沉降數(shù)值與曲線圖分別列舉，地表測點(diǎn)模擬沉降數(shù)值結(jié)果如表2所示，沉降曲線圖如圖3所示，工程實(shí)際測點(diǎn)沉降結(jié)果如表3所示，沉降曲線圖如圖4所示。

表2　模擬沉降數(shù)值表Tab.2　Numerical　table　for　settlement

表3　實(shí)測沉降數(shù)值表Tab.3　Numerical　table　of　actual　measurement

通過分析可得如下結(jié)論：

（1）右線洞室未開挖過程中，最大沉降量出現(xiàn)在左線拱頂對(duì)應(yīng)的DB-05點(diǎn)，如圖3、4第一、二階段顯示。由于該地鐵隧道左右線凈距為1.4倍隧道洞室跨度，為近間距隧道。隨著右線開挖，雙線施工引起土層強(qiáng)度弱化，中間土體的擾動(dòng)相互疊加，變形相互累積，最終形成一個(gè)峰值較高的單峰沉降槽曲線，如圖3、4第三、四階段所示。隨著右線開挖對(duì)周圍土體的影響，地表的最大沉降量由左線拱頂對(duì)應(yīng)的地表測點(diǎn)DB-05點(diǎn)逐漸向右移動(dòng)。

（2）根據(jù)數(shù)值模擬曲線與實(shí)際測量曲線變形趨勢的對(duì)比分析，模擬結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果所對(duì)應(yīng)沉降曲線的變形趨勢基本相同，由于近間距隧道開挖過程中影響的相互疊加，開挖完成后，地表沉降曲線并非為雙峰沉降槽曲線，而是單峰沉降槽曲線，最大沉降測點(diǎn)不是位于左右線拱頂所對(duì)應(yīng)地表測點(diǎn)，也不是左右線中間位置對(duì)應(yīng)地表測點(diǎn)，而是左線先開挖對(duì)周圍土體影響較大，最大沉降測點(diǎn)為DB-05測點(diǎn)，隨著右線開挖的進(jìn)行，最大沉降測點(diǎn)逐漸向右移動(dòng)，雙線開挖完成后，峰值對(duì)應(yīng)的地表測點(diǎn)為左右線中間位置偏左的DB-06測點(diǎn)。

（3）根據(jù)模擬數(shù)值與實(shí)測數(shù)值的對(duì)比分析，地表測點(diǎn)的沉降量比模擬沉降量大3～6mm。主要是由于實(shí)際施工過程中影響因素較多，如施工中降水、開挖進(jìn)尺較長、環(huán)形開挖偶爾出現(xiàn)的超挖現(xiàn)象、施工過程中沒有及時(shí)的施做初期支護(hù)、洞室的開挖沒有及時(shí)封閉成環(huán)等原因造成的。由于曲線的變形趨勢基本相同，說明該數(shù)值模擬對(duì)工程實(shí)踐具有很重要的參考價(jià)值。

（4）根據(jù)圖3、4曲線的變形情況分析，在區(qū)間正線開挖過程中，4倍洞徑以外曲線斜率明顯變小，曲線變形平緩，說明洞室開挖過程中，橫向變形的影響范圍可近似認(rèn)為4倍洞徑范圍。

圖3　模擬沉降曲線圖Fig.3　Curve　diagram　of　simulation

圖4　實(shí)測沉降曲線圖Fig.4　The　curve　of　measured　settlement

6　不同隧道間距對(duì)應(yīng)地表沉降的變化趨勢

為了對(duì)比不同隧道洞間距對(duì)地表沉降的影響，分別對(duì)左右線洞室間距為1.4倍洞徑、1.8倍洞徑、2倍洞徑3種情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。分析不同隧道間距對(duì)應(yīng)地表沉降的變化趨勢。3種情況下沉降位移云圖及沉降變化曲線分別如圖5、6、7、8所示。

圖5　1.4倍洞徑時(shí)沉降位移云圖Fig.5　The　settlement　displacement　cloud　image　of　1.4　times of　hole　diameter

圖6　1.8倍洞徑時(shí)沉降位移云圖Fig.6　The　settlement　displacement　cloud　image　of　1.8　times of　hole　diameter

根據(jù)沉降云圖及沉降曲線變形規(guī)律分析可得如下結(jié)論：

（1）洞室間距為1.4倍洞徑時(shí)，圖5所示，左右線開挖過程中出現(xiàn)明顯沉降疊加區(qū)域，顏色較深位置說明疊加后累積沉降較大。圖8所示，左右線開挖引起的地表沉降相互疊加形成一個(gè)峰值較高的沉降槽曲線，沉降峰值對(duì)應(yīng)左右線中間位置偏左的DB-06測點(diǎn)，主要是由于左線先開挖的影響，所以在左線開挖過程中要加強(qiáng)監(jiān)測，實(shí)時(shí)掌握左線變形情況，采取措施，保證洞室穩(wěn)定性。對(duì)于間距較小的隧道洞室開挖，應(yīng)采取減小開挖步長、及時(shí)支護(hù)、加固左右隧道中間的土層等措施，以達(dá)到減少地表沉降的目的。

（2）隨著洞室間距的增加，當(dāng)間距達(dá)到1.8倍洞徑時(shí)，圖6所示，根據(jù)沉降云圖可知，沉降疊加區(qū)域較小，區(qū)域顏色變淺，說明疊加后沉降量減小。圖8所示，地表沉降槽曲線近似形成“平底沉降槽”結(jié)構(gòu)，沉降疊加區(qū)域沒有出現(xiàn)明顯的峰值曲線，峰值所對(duì)應(yīng)的最大沉降量小于1.4倍洞徑開挖時(shí)所對(duì)應(yīng)的沉降量。

（3）當(dāng)洞室間距的增加到2倍洞徑時(shí)，圖7所示，左右線開挖引起的沉降疊加區(qū)域明顯減少，變形基本對(duì)稱。圖8所示，變形曲線中部上揚(yáng)形成左右雙峰沉降槽曲線，說明左右線開挖對(duì)中部土體擾動(dòng)較小，最大沉降量出現(xiàn)在左右線拱頂所對(duì)應(yīng)的地表測點(diǎn)，分別為DB-05測點(diǎn)和DB-09測點(diǎn)。曲線峰值所對(duì)應(yīng)沉降值小于1.4倍洞徑和1.8倍洞徑時(shí)對(duì)應(yīng)的沉降數(shù)值。

圖8　不同洞距地表沉降變化曲線Fig.8　Variation　curve　of　surface　subsidence　with　different hole　distance

7　結(jié)論

本文采用有限元分析軟件Midas/GTS結(jié)合工程實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，通過地鐵區(qū)間隧道橫向斷面沉降槽分析，可知正線開挖的橫向影響范圍可近似為4倍洞徑范圍。由于實(shí)際施工過程中影響因素較多，如施工過程中降水、開挖進(jìn)尺較長、環(huán)形開挖出現(xiàn)超挖的現(xiàn)象、上臺(tái)階開挖后沒有及時(shí)的施做初期支護(hù)、洞室的開挖沒有及時(shí)封閉成環(huán)等情況，造成數(shù)值模擬結(jié)果比實(shí)測數(shù)值偏小3～6mm，但變形趨勢基本相同，所以數(shù)值模擬可以作為施工的重要參考。

對(duì)于近間距區(qū)間隧道的開挖，左線先開挖過程中，最大沉降量發(fā)生在左線拱頂對(duì)應(yīng)的地表測點(diǎn)處，隨著右線開挖，左右線開挖對(duì)周圍土體的擾動(dòng)相互疊加，沉降槽峰值隨著開挖的進(jìn)行向右移動(dòng)，由于左線較先開挖，對(duì)周圍土體的擾動(dòng)較大，開挖完成后沉降槽峰值位置處于左右線中間偏左位置處。

條件容許情況下，雙線洞室開挖洞間距應(yīng)該控制在2倍洞徑左右，洞距越大，左右線開挖引起的疊加區(qū)域越小，最大沉降發(fā)生在正線拱頂所對(duì)應(yīng)地表測點(diǎn)，且沉降量明顯小于疊加后對(duì)應(yīng)的數(shù)值。洞距過小會(huì)出現(xiàn)變形的疊加，對(duì)洞室周圍土體的穩(wěn)定性和施工的安全性造成較大影響。如果受到工程條件所限，隧道開挖為近間距開挖，則需采取加固隧道中間的土體，減小開挖進(jìn)尺、及時(shí)封閉成環(huán)等措施來達(dá)到減小地表沉降的目的，開挖長度不長的洞室還可以考慮采用連拱隧道的施工方法來控制地表沉降。

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DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.07.007

基金項(xiàng)目：＊生產(chǎn)科研項(xiàng)目。

作者簡介：冀少鵬（1988-），男，滿族，河北張家口人，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）在讀碩士研究生，地下建筑工程專業(yè)，地下建筑設(shè)計(jì)與施工方向。

通訊作者：葛克水（1963-），男，北京人，博士，副教授，爆破工程專業(yè)，從事教學(xué)和科研工作。

Analysis on the Deformation Stability of Shallow Burying and Underground Excavation in the Subway Section

JIShao-peng,GEKe-shui,CHENSong,MIYang
(School of Engineering and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083)

Abstract:Thispaperanalyzesthedeformationlawofintervaltunnelsectionintheconstructionprocessandproposes themostsuitabletunnelspacingofthesubwaysectionbysimulationanalysisoftheinfluencesofdifferentholespacingonthe surroundingrockdeformationandsurfacesettlementofthetunnelleftandrightlines.Theprincipleisexploredbyutilizing thepracticaldataandthenumericalsimulationofMetrointervalconstructionwiththefiniteelementanalysissoftwareMidas/ GTSonthebasisofBeijingMetroLinefourteen.Analysisofthecausesofthedifferencesisbasedonthecomparisonbetween simulationresultsandactualmeasurementdata.Withtherapiddevelopmentofsubwayconstruction,theresearchonthe deformationlawofsurroundingrockduringtheconstructionprocessplaysanincreasinglyimportantroleinthefollow-up constructioninrecentyears.Thispapermayprovideareferenceforsimilarprojectsinthefuture.

Keywords:Shallowburyingandundergroundexcavation;Numericalsimulation;Deformationlaw;Tunnelspacing