(華北科技學(xué)院 河北 廊坊 065201)

一、引言

近年來(lái),我國(guó)城市軌道交通行業(yè)發(fā)展迅速，截至2018年初，我國(guó)內(nèi)地已有32個(gè)城市開通運(yùn)營(yíng)城市軌道交通，運(yùn)營(yíng)總里程超過(guò)4000公里；預(yù)計(jì)到2020年末，全國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)總里程將超過(guò)7000公里?，F(xiàn)在已開工建設(shè)軌道交通的有53個(gè)城市，規(guī)劃建設(shè)規(guī)模超過(guò)9000公里，在建規(guī)模約5770公里，北京、上海、廣州等大城市已跨入城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的時(shí)代。北京地鐵在“十三五”期間將新建西郊線、S1線、燕房線、17號(hào)線、7號(hào)線東延、19號(hào)線、新機(jī)場(chǎng)線等線路，北京已建成世界第二大軌道交通系統(tǒng)。本文通過(guò)對(duì)比開挖及支護(hù)順序?qū)Φ孛娉两颠M(jìn)行分析，由此可為類似隧道工程的沉降預(yù)測(cè)及環(huán)境安全控制提供參考，同時(shí)對(duì)豐富同類工程案例、完善隧道設(shè)計(jì)理論具有重要意義。

二、工程概況

某工況斷裂以南構(gòu)造區(qū)，處于三水?dāng)嘞菖璧貣|延部分，主體構(gòu)造走向是東西向，其次是北西向，由中生界白堊系構(gòu)成的東西向比較寬闊的褶皺和志留系及喜馬拉雅期形成的一系列北西向斷層所組成，是繼承性構(gòu)造。分布較大厚度的軟土，其物理力學(xué)性能差-較差，具有強(qiáng)度較低、壓縮性較高等特點(diǎn)，在上部荷載或震動(dòng)作用下易產(chǎn)生固結(jié)變形、震陷，引起地面沉降，導(dǎo)致路面、房屋開裂等地質(zhì)災(zāi)害。

第四系以人工填土、海陸交互相淤泥、淤泥質(zhì)土及砂層、粘土層和殘積土為主。軟土呈層狀分布，砂層一般含有粘粒，顆粒級(jí)配不均，松散～稍密為主，為輕微～中等液化土層，透水性中等。海陸交互相粘土和殘積土一般為可塑至硬塑狀態(tài)，為微透水層。下伏基巖為第三系碎屑巖、元古界混合花崗巖、志留系花崗巖，各風(fēng)化帶均有揭露，裂隙稍發(fā)育。第四系覆蓋層厚，軟土較發(fā)育，砂土有液化趨勢(shì)。屬巖土工程條件復(fù)雜地段。粉質(zhì)粘土—主要為粉質(zhì)粘土，局部為粘土、粉土，主要由粉粘粒組成，含少量砂粒和粉粒。以可塑狀為主，稍見軟塑狀，干強(qiáng)度及韌性中等。本層層厚0.80～3.40m，承載力特征值為140～180kPa。中粗砂層—本層含少量黏粒，稍密-中密，本層層厚0.70～10.30m。承載力特征值為150～200kPa。

模型上覆巖層為黏土層，厚度3米，隧道在砂巖層，厚度12米。隧道中心距地表10米。施工前對(duì)擬定的方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，若施工方案不滿足地表沉降小于30mm的要求，需要超前深孔注漿的方式對(duì)地層進(jìn)行加固。

三、數(shù)值模型及方案

采用FLAC3D有限差分法求解非常適合模擬非線性問(wèn)題和大變形問(wèn)題。假定巖土是均勻多孔介質(zhì)，采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，具體材料參數(shù)詳見表1。不考慮土體蠕變效應(yīng)。模型上層3米為黏土，下層為砂巖，砂土層12m厚。模型四個(gè)側(cè)面及表面限制位移和速度，地表為自由面。

表1 土層物理參數(shù)

數(shù)值模擬中,巖土體在自重和附加荷載作用下固結(jié)沉降,達(dá)到平衡,首先進(jìn)行既有隧道開挖,得到初始地應(yīng)力,而后進(jìn)行新建隧道盾構(gòu)穿越施工模擬。對(duì)于新建隧道盾構(gòu)施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬,用改變單元材料的方法來(lái)反映盾構(gòu)的向前推進(jìn),被開挖的單元用剛度極小的單元代替,而對(duì)應(yīng)于盾殼、管片及注漿材料的位置分別將單元?jiǎng)偠扔娩摗⒐芷蜐{液的剛度替換。

四、計(jì)算結(jié)果分析

(一)隧道開挖沉降

隧道開挖進(jìn)尺為1.2米，隧道開挖圍巖等級(jí)為VI，襯砌厚度0.5米，第一次開挖后，隧道側(cè)邊和頂板沉降曲線如圖1、圖2所示

圖1 隧道頂板位移

圖2 隧道側(cè)邊位移

(二)既有隧道襯砌應(yīng)力

采用襯砌混凝土襯砌，襯砌0.5m，一般形變?cè)谡谱用娴?-5倍范圍內(nèi)，隧道橫斷面上的襯砌豎直位移最大值僅為10.7mm而變形更小,因此隧道襯砌在環(huán)向和徑向的應(yīng)力變化量很小。隧道以縱向沉降變形為主,且為不均勻沉降,使既有隧道縱向上產(chǎn)生較大曲率變形,因而隧道縱向的正應(yīng)力變化較大，見圖3-5。

圖3 襯砌后隧道沉降

圖4 襯砌節(jié)點(diǎn)形變

圖5 襯砌單元應(yīng)力

五、結(jié)論

(1)本文對(duì)軟巖中隧道開挖進(jìn)尺進(jìn)行了分析，在隧道中開挖進(jìn)尺過(guò)大容易發(fā)生坍塌，應(yīng)進(jìn)行注漿加固。結(jié)果表明，開挖進(jìn)尺對(duì)地面沉降的影響顯著，總體看支護(hù)結(jié)構(gòu)能有效減小水平位移量、地表的豎向沉降。

(2)改變進(jìn)尺掘進(jìn)時(shí)，需要及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，利用有限元模擬軟件lac3d對(duì)隧道開挖進(jìn)行模擬，變形模擬結(jié)果說(shuō)明，出于安全考慮，該土質(zhì)不適于全斷面開挖，應(yīng)以臺(tái)階法效果更好。支護(hù)體系在控制頂板變形方面效果十分明顯，完全滿足沉降要求。