朱衛(wèi)東， 楊文定

(1.江蘇聯合職業(yè)技術學院 南京工程分院 地質工程系， 江蘇 南京 210036； 2.江蘇省地質礦產廳技術處， 江蘇 南京 210018)

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城市地鐵隧道施工引起的地表沉降研究

朱衛(wèi)東1， 楊文定2

(1.江蘇聯合職業(yè)技術學院 南京工程分院 地質工程系， 江蘇 南京 210036； 2.江蘇省地質礦產廳技術處， 江蘇 南京 210018)

城市淺埋暗挖地鐵隧道引起的沉降問題是及難控制的隧道施工關鍵性問題。從理論與實際兩個角度出發(fā)，結合有限元計算，對石家莊地鐵1號線雙側壁導坑法施工方案進行數值模擬，驗算了隧道開挖過程中地表變形沉降情況。對施工段進行了沉降監(jiān)測方案設計與監(jiān)測，將監(jiān)測結果及時反饋給施工方。結果表明理論計算最大豎向沉降量產生在拱頂正上方位置，為45 mm。實際監(jiān)測最大豎向沉降量產生在拱頂正上方位置，為70 mm，實際值約為理論值的1.5倍；實際值與理論值數據沉降變化趨勢基本一致，證明利用有限元數值模擬的可靠性與實用性。

淺埋暗挖； 沉降監(jiān)測； 雙側壁導坑法

0 引言

隨著社會經濟迅速發(fā)展，城市交通日益擁擠，我國地鐵建設進入快速發(fā)展時期，許多城市存在大量在建地鐵工程。我國地鐵工程建設雖發(fā)展迅速，但起步較晚，施工技術較國際先進水平存在一定差距[1]。當前較為先進的方法為盾構法，由于施工技術以及周圍環(huán)境與巖土介質的復雜多樣性，在施工過程中產生的地表沉降是不能消除的，在城市條件下，高樓林立，地表沉降將會對周圍的高層產生重大影響[2]。在地鐵隧道施工過程中必須嚴格將地表沉降控制在一定范圍內，以免發(fā)生重大安全事故。為減少隧道施工引起的地表沉降，首先需選定合理的施工工藝，進行合理的支護措施，并對地表沉降變形做出正確估計[3]。地表變形主要指不均勻沉降以及地表傾斜，隧道施工引起的變形主要是由于施工過程中洞口周圍受到擾動以及受到剪切破壞的土體再固結導致的[4]。本文根據土體的沉降變形機理，首先進行施工方案設計并進行有限元理論計算，然后結合實際情況，對正在施工路段進行變形監(jiān)測，通過理論計算與監(jiān)測分析兩方面驗算了施工方案的可行性，以確保工程建設順利進行，促進我國的淺埋暗挖地鐵隧道施工技術進步。

1 工程概況

石家莊地鐵1號線總長40 km，西起西王站，東至洨河大道站，是城市東西方向骨干線路，銜接對外交通樞紐與城市重要功能節(jié)點。設地下車站20坐，工程總投資為173.2億元，計劃工期4年9個月，預計2017年9月通車試運營。1號線地鐵隧道施工屬于淺埋軟弱圍巖施工，常見隧道施工方式主要有以下3種：臺階法、中隔壁加臺階法以及雙側壁導坑法[5]，由于地質條件較差，石家莊1號線施工方式為雙側壁導坑法。本文針對雙側壁導坑法進行數值模擬，雙側壁導坑法開挖步序如圖1所示，共分為5個步驟： ①左導坑上部開挖； ②右導坑上部開挖； ③左導坑下部開挖； ④右導坑下部開挖； ⑤核心土開挖。

圖1 雙側壁導坑法Figure 1 Double side heading method

1.1 有限元模擬

結合石家莊地鐵洞口實際工程情況，以隧道里程樁號為K9+180處大斷面為計算原型，模型尺寸按照1∶1實際尺寸選取，如圖2所示，根據巖土勘察報告顯示該段隧道為Ⅵ級圍巖，巖性及差，且埋深較淺，跨徑最大，沉降量難以控制，對整個隧道施工建設具備十分重要的研究價值。模型計算范圍取自隧道底部15.2 m開始至隧道頂部地表處，隧道兩側計算范圍取洞徑的3倍，模型兩側設置水平約束，底部設置豎向約束，地表為無約束自由面。

圖2 計算模型幾何尺寸(單位： m)Figure 2 Calculation model geometry(unit： m)

結合巖土勘察報告以及隧道實際水文地質情況，查閱規(guī)范給出了容重、泊松比、凝聚力等模擬材料參數如表1所示。

表1 材料物理力學參數一覽表Table1 Listofphysicalandmechanicalparametersofma-terials圍巖及支護結構容重/(kN·m-3)彈性模量/GPa泊松比凝聚力/MPa內摩擦角/(°)C30鋼筋混凝土25230.2——Ⅵ級圍巖170.80.380.222錨桿和鋼拱架782000.3——加固體205.10.250.840

對模型計算范圍進行有限元網格劃分，網格劃分至關重要，其疏密程度影響著計算速度與計算結果的精確性，針對本文計算采用二維實體結構單元，不考慮空間效應，采用手工劃分網絡模型，最終得到的網絡模型如圖3所示。

圖3 模型網格劃分示意圖Figure 3 Schematic diagram of model grid

1.2 結果分析

通過ANSYS9.0軟件進行有限元計算得到雙側壁導坑法施工時各個關鍵工序引起的地層豎向位移云圖如圖4～圖6所示。

根據圖4～圖6，采集地表豎向位移數據，得到各開挖階段斷面豎向沉降值如圖7所示。

圖4 左導坑上部開挖豎向位移云圖Figure 4 Left upper vertical displacement nephogram of heading excavation

圖5 右導坑上部開挖豎向位移云圖Figure 5 Right upper part of the vertical displacement nephogram of heading excavation

圖6 核心土開挖豎向位移云圖Figure 6 Vertical displacement of core soil excavation

圖7 各開挖階段斷面豎向沉降曲線Figure 7 Vertical settlement curve of each excavation stage

根據圖7可知：雙側壁導坑法開挖的沉降理論計算最大值為40 mm，在左上部開挖階段，由于無法進行支護措施，導致此階段沉降量最大，約為23 mm，最大沉降值產生在隧道左側位置，右上部開挖以后，隧道左右沉降值基本對稱，最大沉降點產生在隧道中軸線兩側，約為30 mm，此時中軸線上沉降值約為24 mm，在左上部以及右上部開挖完成以后，可進行初期支護以減小沉降量，因此在左下部以及右下部開挖過程中，沉降量并不明顯，完成右下部開挖工序后，最大沉降值依舊在中軸線兩側，約為35 mm，中軸線沉降值略小于35 mm，這是由于核心土的存在，對中軸線上土體具有支撐作用。最后進行核心土的開挖，核心圖開挖是控制沉降的關鍵步驟，在核心土開挖前，必須對洞口左右兩側進行合理支護。從整體上來看，雙側壁導坑法開挖后三個步驟的開挖土方量占到了總開挖土方量的70%左右，其導致的地表沉降量僅占總沉降量的50%左右，有效的減小了地表沉降，說明了雙側壁導坑法開挖的科學實用性。

2 工程沉降監(jiān)測

由于實際工程環(huán)境復雜多變，存在諸多不確定因素，理論與實際并不能完全同步，實際監(jiān)測沉降值往往大于理論計算值。為確保理論計算的科學可靠性，必須進行實例檢測驗證，得到理論值與實際值之間的差距范圍，以此及時修正支護參數。因此，淺埋暗挖隧的監(jiān)控測量工作是必不可少的。

2.1 測點布置

結合石家莊市地圖線路施工進度現狀，共設置了14個地表監(jiān)測斷面，斷面間距9～10 m，斷面編號為Ⅱ-1、Ⅱ-2……、Ⅱ-14，每一斷面埋設13個監(jiān)測點，間距5 m，如圖8，圖9所示。基點(不動點)設于三倍洞徑外，測點埋設深度為25 cm，采用鋼筋混凝土鉆孔澆筑，并將預埋件固定于現澆混凝土之上，澆筑完畢后加以養(yǎng)護。在距離掌子面10 m左右時刻測度并記錄初始數據。

圖8 監(jiān)測斷面測點布置Figure 8 Layout of monitoring section

圖9 地表測點埋設Figure 9 Buried surface measuring points

2.2 量測儀器、方法及頻率

采用ds03精密水準儀(見圖10)與剛掛尺進行地表沉降監(jiān)測，觀測精度為0.1 mm，測得測點與基準點相對高差，進而計算出沉降量變化；水平收斂采用JSS30A 型精密收斂計(見圖11)，觀測精度為0.01 mm。

圖11 JSS30A 型收斂劑Figure 11 JSS30A Convergence agent

觀測頻率：觀測斷面距掌子面5 m左右開始觀測，每天早6：00、晚6：00各記錄一次觀測數據，并與雙側壁導坑法施工步序相結合，確保在每一施工步序記錄足夠的數據，若出現異常位移突變，需及時反饋給施工方并增加監(jiān)測頻率，延長監(jiān)測時間；直至地表位移速度小于0.1 mm/d，水平收斂位移速度為 0.1～0.2 mm/d，認為圍巖基本穩(wěn)定，可停止監(jiān)測。

2.3 監(jiān)測結果分析

選?、?5斷面為例，對監(jiān)測數據結合開挖工序進行處理，得到各測點在各個施工步下的沉降情況如圖12所示。

圖12 Ⅱ-5斷面地表沉降與施工步關系直方圖Figure 12 Relationship between surface subsidence and construction step

根據圖12可知：左上部開挖與右上部開挖階段導致地表產生較大變形，在左上部開挖階段，左導坑正上方測點(6號測點)沉降值高達36 mm，約占該點總沉降變形量的60%，在此階段核心土正上方測點(7號測點)的沉降值也高達34 mm，約占3號測點總沉降量的50%。結合直方圖橫向來看，第二步開挖過程沉降量總體上來說約為第一步開挖沉降量的55%左右，這是由于在第一步開挖過程中已經導致水分大量遷移，降低了右導坑圍巖含水率，至使圍巖強度提高。在下左部、下右部開挖階段沉降值大大降低，這是由于在上右部開挖以后進行了初期支護，削弱了集中應力。在第五步核心土開挖后，沉降值較右下部開挖階段增大不少，3個測點沉降值都在15 mm左右，這是由于核心土對整個隧道結構存在較大支持作用，開挖核心土以后，拱頂部位圍巖失去支撐，應力急劇變化，發(fā)生卸荷效應。因此在核心土開挖以前，必須加強初期支護工作，保障結構穩(wěn)定。根據圖12中數據可得到各開挖階段斷面豎向沉降曲線趨勢變化如圖13所示。

圖13 各開挖階段斷面豎向沉降曲線Figure 13 Vertical settlement curve of each excavation stage

對比圖13與圖7可知：實際監(jiān)測值與理論計算值數據變化趨勢基本一致，表明了理論計算方法的科學實用性，實際檢測值大于理論計算值，這是由于理論計算進行了模型假設，消除了許多不確定因素?？傮w來說，實際監(jiān)測沉降值約為理論計算沉降值的1.5倍，可作為日后施工設計的參考值進行設計。

3 結論

本文以石家莊地鐵1號線為依托工程，首先進行了雙側壁導坑法的有限元理論計算，然后結合實際施工過程中的沉降結果，從理論與實際2個方面進行研究，得出以下結論：

① 通過ANSYS9.0軟件進行了沉降量的模擬計算，最終得到了在雙側壁導坑法施工方案下各施工步驟的地表沉降值，施工結束后的最大沉降值約為40 mm；雙側壁導坑法開挖后3個步驟的開挖土方量占到了總開挖土方量的70%左右，其導致的地表沉降量僅占總沉降量的50%左右，有效的減小了地表沉降。

② 進行了測點布置，設計了監(jiān)測方案，對監(jiān)測沉降數據進行分析得出結論在左導坑上部開挖階段，左導坑正上方測點(6號測點)沉降值高達36 mm，約占該點總沉降變形量的60%。核心土開挖后，沉降值較右下部開挖階段增大不少，在核心土開挖前進行初期支護，可高效降低核心土開挖階段產生的沉降量。

③ 通過對比可知理論計算結果與監(jiān)測數據結果變化趨勢具有一致性，證明了利用有限元數值模擬的可靠性與實用性，同時也表明了石家莊地鐵1號線采取雙側壁導坑法的合理性。

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Research on Ground Surface Subsidence Caused by Metro Tunnel Construction

ZHU Weidong1， YANG Wending2

(1.Jiangsu Union Technical Institute Nanjing Branch， Geological Engineering， Nanjing， Jiangsu 210036， China； 2.Department of Geology and Mineral Resources of Jiangsu Province， Nanjing， Jiangsu 210018， China)

Settlement caused by shallow underground excavation metro tunnel is difficult to control the construction of the key issues of the construction of the tunnel.In this paper，from both the theoretical and practical perspectives of combined with finite element method，numerical simulation of Shijiazhuang Metro Line 1 bilateral wall heading method construction scheme，checking the tunnel excavation process in the deformation of the ground surface settlement.The settlement monitoring scheme is designed and monitored in the construction stage，and the monitoring results are timely feedback to the construction side.The results show that the theoretical calculation of the maximum vertical settlement is generated at the top of the roof，which is 45 mm.The actual monitoring of the maximum vertical settlement in vault is positioned at the top，70 mm，the actual value is about theoretical value of 1.5 times；the actual value and theoretical value data settlement trends are basically the same，show the reliability and practicability of using finite element numerical simulation.

shallow buried excavation； settlement monitoring； both side drift method

2016 — 07 — 12

江蘇省教育科學“十二五”規(guī)劃課題(B-b/2015/03/067)

朱衛(wèi)東(1967 — )，男，江蘇東海人，講師，主要研究領域為地質資源勘查。

U 456.3

A

1674 — 0610(2016)05 — 0195 — 05