李學(xué)文

(中國鐵建十六局集團(tuán)第二工程有限公司,天津市 300162)

復(fù)雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降探討

李學(xué)文

(中國鐵建十六局集團(tuán)第二工程有限公司,天津市 300162)

隨著現(xiàn)代城市化進(jìn)程的不斷加快,地下交通軌道網(wǎng)在城市交通建設(shè)中的比重不斷加大。城市地鐵隧道的建設(shè)必然會打破原來的地下巖土體的平衡狀態(tài),從而構(gòu)建新的平衡,地表沉降將會是地下軌道交通網(wǎng)建設(shè)過程中必然面對的問題。針對復(fù)雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降問題進(jìn)行探討,提出較為有效的解決辦法。

復(fù)雜條件;城市地鐵隧道;施工;地表沉降

1　城市交通建設(shè)現(xiàn)狀

隨著城市建設(shè)進(jìn)程的加快及現(xiàn)代大都市的發(fā)展,城市交通緊張的狀況以及長期擁堵的問題日益嚴(yán)重。在城市基礎(chǔ)交通建設(shè)過程中,有軌交通占據(jù)較為有利的地位。在地下軌道交通網(wǎng)以及高架道路這兩種城市有軌交通的建設(shè)過程中,逐漸發(fā)現(xiàn)高架道路會引起較大的不利影響,例如沿路噪聲問題、周圍地價貶值問題等。對比之下,地下軌道交通網(wǎng)的建設(shè)具有較大的優(yōu)勢。然而,在地下軌道交通網(wǎng)的建設(shè)過程中,主要面臨了對原有地下巖土體穩(wěn)定性的破壞,對新的穩(wěn)定性以及平衡性的構(gòu)建,在此過程中解決地表沉降問題是主要的技術(shù)難題「1-3]。

2　復(fù)雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降相關(guān)問題

以某市某區(qū)的地鐵站的隧道工程的建設(shè)施工為例。該工程位于兩個街道的交叉路口,其工程沿中街東西向布置,車站計算站臺中心里程為DK17+ 81.667，起訖樁號分別為DK17+880.567～DK18+ 13.8， 全長223.2 m。該地下車站為雙層島式,主體結(jié)構(gòu)的跨度為22 m。有效站臺的中心處地面高程為51 m,軌面深埋為28.25 m,頂拱覆土為8.57 m,底板埋深為26.50 m,隧道寬度為21.59 m。該工程地層表面所覆蓋的土層十分松散軟弱,具有不穩(wěn)定性因素。在工程勘察中發(fā)現(xiàn),在該工程范圍內(nèi)有多處地層表現(xiàn)為非原土狀態(tài),明顯被擾動過。經(jīng)過鉆孔勘測,顯示該地區(qū)的地層結(jié)構(gòu)主要分為:晚更新統(tǒng)沖洪積相地層、沖洪積相地層、第四系全新人工堆積層,其土質(zhì)狀況為礫砂、粗砂、中砂、粉質(zhì)黏土、素填土,圍巖類別為I 類。場地地層自下而上分別為:可塑粉質(zhì)黏土,中密-密實圓礫，礴中密-密實礫砂，可塑粉質(zhì)黏土，中密-密實圓礫，中密-密實中、粗砂，中密-密實礫砂，稍密-中密中、粗砂，可塑粉質(zhì)黏土，松散-密實雜填土。地層情況較為復(fù)雜「4-6]。

2.1隧道施工過程數(shù)值模擬技術(shù)研究

隧道施工過程數(shù)值模擬研究主要是針對工程施工過程中的技術(shù)難點通過相關(guān)的模擬軟件,進(jìn)行仿真模擬,選擇最佳的可行方案。目前主要的應(yīng)用軟件有多種,國內(nèi)主要采用的有2D-SIGMA、同濟(jì)曙光、3D-SIGMA等「7]。這些軟件具有一定的優(yōu)勢,同時也具有一定的缺陷,還處在不斷的改進(jìn)與發(fā)展過程中。在隧道施工的過程中需要利用數(shù)值模擬技術(shù)對隧道的支護(hù)過程以及開挖過程進(jìn)行正確的模擬,研究支護(hù)的力學(xué)效果,進(jìn)而分析隧道施工引起的地表沉降機(jī)理。利用混合法來進(jìn)行隧道開挖模擬,加載計算分析有限元模型,形成對應(yīng)的初始應(yīng)力場,將其再讀入到有限元模型中,經(jīng)過技術(shù)處理后,將位移場值定為零,對施工過程及開挖模擬,得出實際的應(yīng)力場以及位移場。圖1為挖掘過程示意圖。

可采用洞樁逆作法,先行在地下進(jìn)行導(dǎo)洞暗挖,完成之后在導(dǎo)洞內(nèi)施工架設(shè)剛性的拱頂縱梁、樁頂冠梁以及圍護(hù)邊樁。接下來進(jìn)行車站頂拱的施工。這樣,待扣拱完成之后,拱頂縱梁、樁頂冠梁以及圍護(hù)邊樁這三者將會構(gòu)成一個拱、梁、樁撐框架體系,并具有承載性能良好、剛度大的特點。在這一穩(wěn)定的體系下進(jìn)行向下開挖工作,大大提高作業(yè)的安全性,可以有效限制結(jié)構(gòu)外地層的側(cè)向位移以及豎向位移,并有效控制地表沉降程度,減少對周圍建筑的不利影響。

圖1　挖掘過程示意圖

2.2復(fù)雜群洞隧道問題

在地下隧道的建設(shè)與開挖過程中,地下群洞是一種比較復(fù)雜但常見的施工情況。這類施工對施工方案的選擇具有較大的依賴性,在群洞的開挖過程中往往會出現(xiàn)地表沉降問題以及圍巖應(yīng)力重分布的問題,需要對危險的抗壓以及抗剪、受拉作用進(jìn)行計算分析,對開挖方案進(jìn)行科學(xué)的選擇,才能保持圍巖整體的穩(wěn)定性,減少地面沉降現(xiàn)象的發(fā)生。在隧道開挖施工過程中引起的地表沉降具有普遍性。具體表現(xiàn)為進(jìn)行開挖卸載的工作中,開挖面土體向隧道內(nèi)移動所引起的地表沉降、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形所引起的地表沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)背后的空隙閉合所引起的地表沉降、隧道結(jié)構(gòu)因整體下沉所引起的地表沉降。

2.3隧道施工過程中滲流-應(yīng)力耦合問題研究

在隧道施工過程中滲流-應(yīng)力耦合問題對隧道排水、支護(hù)以及縫隙的填充等方面都具有較大的影響,因此,需要對這一問題進(jìn)行正確的求解,從而對施工過程中降水與失水對地表沉降的影響進(jìn)行研究。在含水地層中進(jìn)行隧道施工,需要對土顆粒骨架之間的水分進(jìn)行排除,這一措施直接會造成土體內(nèi)部孔隙水壓力變化以及滲透力作用造成的地表沉降現(xiàn)象。這一現(xiàn)象發(fā)生的原理是含水層內(nèi)地下水位下降,導(dǎo)致土層內(nèi)液壓降低,增加了粒間應(yīng)力(有效應(yīng)力)。另外,在隧道施工的過程中,土體顆粒伴隨著地下水而流失,同樣也會造成地表沉降現(xiàn)象的發(fā)生。在隧道開挖的過程中,巖土體會受到較大的擾動作用,土體骨架在改變之后會出現(xiàn)持續(xù)的壓縮變形現(xiàn)象,在土體變形的過程中會產(chǎn)生固結(jié)沉降的地表沉降現(xiàn)象。由于流塑性黏土以及軟塑性黏土具有靈敏度與空隙比較大的特點,在這一類土體中發(fā)生的次固結(jié)沉降現(xiàn)象會持續(xù)多年以上。這屬于一種典型地層的沉降現(xiàn)象,其總的沉降量的比例最高可達(dá)35%。這一地表沉降現(xiàn)象也是隧道開挖與使用過程中需要著重注意的。

3　控制地表沉降措施

(1)嚴(yán)格按照下導(dǎo)洞→上導(dǎo)洞→邊導(dǎo)洞→中導(dǎo)洞的小導(dǎo)洞開挖順序進(jìn)行。下導(dǎo)洞超前上導(dǎo)洞10～20 m的范圍,從而減少群洞效應(yīng)。先施工的部分與圍巖之間形成具有整體穩(wěn)定性的受力體系,在后續(xù)施工的過程中,對先行施工結(jié)構(gòu)以及圍巖的影響將會大大的下降。

(2)在進(jìn)行扣拱以及導(dǎo)洞的施工過程中,需要嚴(yán)格按照先加固后開挖順序,并及時采用正確的支撐方式,采取小導(dǎo)管超前預(yù)注漿措施,保證改良地層的密實膠結(jié)性能。

(3)在施工過程中,減少圍巖暴露時間以及暴露面積,實施快掘進(jìn)、短進(jìn)尺,注意混凝土的及時噴射,注意封閉成環(huán)的時間要盡早,盡量降低導(dǎo)洞對圍巖的影響程度。

(4)在施工過程中,進(jìn)行回填注漿時,首先需要注意檢查回填注漿的質(zhì)量,對土體間的孔隙以及初期支護(hù)進(jìn)行及時填充,避免由于空隙的存在而引起地層變形。

(5)將部分開挖的措施應(yīng)用于扣拱施工中,開挖中盡量保持較小的跨度;對小導(dǎo)管加密工作進(jìn)行加強(qiáng)措施,從而保證對拱部土體注漿的質(zhì)量;增加格柵鋼架間距密度,使其符合施工要求;加快每循環(huán)尺的施工進(jìn)度,促進(jìn)施工周期的縮短。

(6)將計算機(jī)模擬預(yù)測以及現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到施工過程中,通過仿真模擬,對地表沉降進(jìn)行有效控制。

4　結(jié)語

綜上所述,基于地下交通軌道網(wǎng)在未來城市交通網(wǎng)建設(shè)中的發(fā)展優(yōu)勢,結(jié)合地下交通軌道網(wǎng)的建設(shè)特點,探討復(fù)雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降相關(guān)問題,主要包括隧道施工過程數(shù)值模擬技術(shù)研究、復(fù)雜群洞隧道問題、隧道施工過程中滲流-應(yīng)力耦合問題研究。通過分析提出相關(guān)的結(jié)論以及具體的措施,嚴(yán)格控制小導(dǎo)洞的開挖順序,正確進(jìn)行扣拱以及導(dǎo)洞的施工。注意對圍巖進(jìn)行施工中的相關(guān)處理措施以及掘進(jìn)方法,提高回填處理過程中回填注漿的質(zhì)量,采取部分開挖的扣拱施工方式,并將計算機(jī)模擬預(yù)測以及現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到施工過程中,為復(fù)雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降問題的解決提供行之有效的建議,促進(jìn)城市交通的建設(shè)發(fā)展。

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U455

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1009-7716(2015)12-0199-02

2015-07-21

李學(xué)文(1973-)男,天津人,工程師,從事鐵路工程施工管理工作。