郭建峰，鄭金雷，李衛(wèi)娟，曾德光，王 琦

(1.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037；2.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；3.石家莊市軌道交通有限責任公司，河北 石家莊 050000)

隨著城市化進程的不斷發(fā)展，為解決日趨堵塞的地面交通問題，越來越多的城市開始大力發(fā)展地下軌道交通[1]。地下隧道一般分布在城市建筑物密集區(qū)域，而隧道的開挖不可避免地會造成地層變形，如何將地表沉降控制在保證周邊建筑物安全的范圍內(nèi)，是地下隧道建設的重點和難點[2]。

對于城市地下暗挖隧道引起的地表沉降規(guī)律，國內(nèi)許多學者進行了研究。李濤等[3]通過對深圳地鐵5號線 18個暗挖區(qū)間隧道的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，得到了各個暗挖區(qū)間地表沉降沿隧道縱向和橫向的總體分布和變化規(guī)律；王霆等[4]通過對北京地區(qū)地鐵施工時的大量現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得出北京地區(qū)黏性土與砂性土互層的條件下地鐵車站淺埋暗挖法施工引起地表沉降的規(guī)律；丁靜澤等[5]對武漢地鐵2號線區(qū)間隧道地表變形連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，得到了武漢地鐵施工過程中隧道上方地表的沉降規(guī)律。黃靈強[6]對廈門翔安大斷面淺埋暗挖海底隧道施工的地層變形進行了研究，得到不同導坑開挖步序?qū)Φ貙幼冃蔚挠绊?，并提出了相應的地層變形控制措施?/p>

本文以石家莊地鐵洨(河大道站)—西(兆通車輛段)區(qū)間隧道工程為背景，研究淺埋暗挖大斷面區(qū)間隧道對地表沉降變形的影響規(guī)律，并提出相應的地表沉降控制措施。

1 工程概況

洨西區(qū)間自洨河大道站開始，向北下穿金峰特鋼有限公司2層辦公樓和單層廠房、煤礦機械廠后，向西北約400 m后，下穿石家莊市第五十一中學、石豐路，向西北方向繼續(xù)前行，至西兆通車輛段。隧道為單洞雙線隧道，采用雙側(cè)壁導坑法(9導洞)進行施工。施工中隧道斷面為馬蹄形，毛洞寬14.3 m，高10.75 m。

根據(jù)施工區(qū)地質(zhì)勘查報告，區(qū)間隧道大部分位于無水的粉細砂、中粗砂層，局部穿越粉土、粉質(zhì)黏土。砂層為無水潮濕狀態(tài)、中密～密實。由于長期開采造成地下水位下降。目前隧址區(qū)地下水位均位于地面以下23～40 m，在隧道底板以下，故施工時不需降水。

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

采用有限元軟件FLAC 3D建立模型，模擬洨西區(qū)間隧道雙側(cè)壁導坑法(9導洞)施工過程。計算模型左右邊界距離為4倍的斷面寬度，上下邊界距離為4倍斷面高度，整個模型寬70 m，高46 m，長30 m。模型底面邊界施加豎向固定約束，四周邊界施加水平固定約束，頂面邊界為自由面。

2.2 計算參數(shù)的選取

數(shù)值計算中的土體、初支、二襯均采用實體單元，土體采用理想彈塑性Mohr-Coulomb模型，初支及二襯采用彈性模型。通過提高土體力學參數(shù)的方法模擬超前小導管注漿加固，注漿加固區(qū)域的本構(gòu)模型采用理想彈塑性Mohr-Coulomb模型。地層參數(shù)見表1。數(shù)值模擬時計算參數(shù)見表2。

表1 地層參數(shù)

表2 計算參數(shù)

2.3 施工步的模擬

采用雙側(cè)壁導坑法(9導洞)左右對稱開挖。導洞分布如圖1所示。

圖1 導洞分布

待模型達到初始應力平衡之后，按照設計分10步施工：①打設導洞1、導洞2超前小導管并開挖導洞，施作初支及臨時支撐；②開挖導洞3、導洞4，施作初支及臨時支撐；③開挖導洞5、導洞6，施作初支及臨時支撐；④打設導洞7超前小導管并開挖導洞，施作初支；⑤開挖導洞8，施作初支及臨時支撐；⑥開挖導洞9，施作初支；⑦截斷局部臨時支撐；⑧澆筑底板及兩側(cè)墻二襯，頂緊臨時支撐；⑨破除剩余臨時支撐；⑩澆筑剩余二襯結(jié)構(gòu)，封閉二襯。

2.4 計算結(jié)果與分析

各施工步地表沉降曲線見圖2?？梢姡弘S著隧道施工的進行V字形沉降槽曲線逐漸向下移動，沉降量越來越大，并且施工的影響范圍也越來越大，隧道中心處地表沉降量最大，其值為28 mm。不同施工步地表沉降增量存在著顯著的差異，其中第⑤，⑩這2步地表沉降增量分別增加了5.63,4.90 mm，占整個地表最大沉降量(28 mm)的38%。

圖2 各施工步地表沉降曲線

對地表沉降進行監(jiān)測的同時，也對地層中塑性區(qū)的發(fā)展進行了監(jiān)測。在計算模擬施工過程中，開挖完導洞3和導洞4之后，隧道拱腳處開始出現(xiàn)塑性區(qū)，隨著施工的進行塑性區(qū)面積逐漸擴大，主要沿隧道2個拱腳方向發(fā)展，所有導洞開挖完成之后，塑性區(qū)的面積基本不再增加。第⑦步截斷局部臨時支撐后，隧道兩側(cè)的地表開始出現(xiàn)拉伸破壞區(qū)，一直持續(xù)至整個施工結(jié)束。隧道全部開挖完成后周圍土體均處于剪切破壞狀態(tài)，塑性區(qū)主要集中在拱腳處，但是隧道上方塑性區(qū)并未貫通，表明對上方土體進行注漿加固，有效控制了上方土體的變形，限制了塑性區(qū)的發(fā)展。

3 現(xiàn)場實測

采用雙側(cè)壁導坑法(9導洞)對洨西區(qū)間隧道進行開挖時在地表設置了9個測點，對施工過程中地表的沉降變形進行了監(jiān)測。測線長33 m。測點布置見圖3。

圖3 地表測點布置

圖4 右線地表監(jiān)測沉降曲線

考慮到隧道開挖對地表變形的影響具有對稱性，僅對右線測點(6#—9#)的沉降曲線(見圖4)進行分析。由圖4可見：越接近隧道中心地表沉降量越大，最大值為23.21 mm。與數(shù)值計算結(jié)果接近，說明數(shù)值計算結(jié)果對現(xiàn)場施工具有一定的指導意義。

4 控制措施

為減少導洞開挖及襯砌施工過程中產(chǎn)生的地表沉降，保護地表周邊建筑物的安全，現(xiàn)結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，提出如下控制措施：①在上部導洞開挖之前，對開挖面前部土體進行小導管超前預注漿，嚴格執(zhí)行先加固后開挖。②導洞1和導洞2開挖完成之后，沿隧道兩側(cè)斜向上45°進行深孔注漿，同時在地表對數(shù)值計算中出現(xiàn)拉伸破壞的區(qū)域進行注漿加固。③在隧道兩側(cè)土體開挖完成之后，對導洞5和導洞6的拱腳處進行深孔注漿，提高土體強度，控制塑性區(qū)的發(fā)展。對中部核心土下部進行注漿加固，防止因塑性破壞而坍塌。④盡量減少拆除臨時支撐及封閉二襯的時間，使支護結(jié)構(gòu)盡早封閉成環(huán)，加強回填注漿工藝，及時填充初支和二襯之間的間隙，以控制地表變形在施工過程中不斷增加。⑤加強施工過程中的現(xiàn)場監(jiān)測，堅持信息化施工，及時反饋施工效果，調(diào)整技術(shù)措施。

5 結(jié)論

雙側(cè)壁導坑法(9導洞)開挖施工過程中第⑤步(開挖導洞8，施作初支及臨時支撐)和第⑩步(澆筑剩余二襯結(jié)構(gòu)，封閉二襯)的地表沉降增量相對較大。由此可見，縮短導洞8開挖后初支及臨時支撐的施作時間和盡快使二襯封閉成環(huán)是控制地表沉降變形的關(guān)鍵。

隧道周邊塑性區(qū)主要集中在拱腳部位，在下部導洞開挖之前應提前對拱腳部位進行深孔注漿加固，提高其強度。對隧道兩側(cè)地表土層注漿加固，提高其抗拉強度，防止發(fā)生拉伸破壞。

[1]王灝.城市軌道交通可持續(xù)發(fā)展的思考[J].宏觀經(jīng)濟研究,2009(3):36-40，56.

[2]陽軍生,劉寶琛.城市隧道施工引起的地表移動及變形[M].北京:中國鐵道出版社,2002.

[3]李濤,韓雪峰,黃華,等.深圳富水復合地層地鐵隧道暗挖施工引起地表沉降規(guī)律的研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2014,51(2):76-82.

[4]王霆,劉維寧,張成滿,等.地鐵車站淺埋暗挖法施工引起地表沉降規(guī)律研究[J].巖石力學與工程學報,2007,26(9):1855-1861.

[5]丁靜澤,陳建平.武漢地鐵區(qū)間隧道地表沉降規(guī)律探討[J].安全與環(huán)境工程,2011,18(5):11-14.

[6]黃靈強.廈門翔安大斷面淺埋軟土隧道CRD法開挖變形控制研究[J].鐵道建筑,2014，54(2):59-62.