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        淺埋地鐵隧道施工引起圍巖變形規(guī)律研究

        2020-09-05 07:12:08侯豪斌
        山東交通科技 2020年4期
        關(guān)鍵詞:圍巖變形施工

        侯豪斌

        (山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,山西 太原 030032)

        引言

        城市地鐵隧道工程由于埋深較淺,隧道開挖常常使地表產(chǎn)生不同程度的沉降,引起地表沉降的因素包括隧道埋置深度、隧道尺寸、地質(zhì)條件、施工工況、開挖方法及支護(hù)措施等。

        1969年,Peck[1]提出了估算隧道施工造成地表沉降的公式。1981年,Attewell[2]假定沉降槽曲線近似正態(tài)分布,主張影響橫向沉降槽寬度系數(shù)的因素包括隧道尺寸、地層強(qiáng)度及埋置深度。1982年,O'Reilly和New[3]根據(jù)盾構(gòu)法開挖隧道引起的沉降情況,對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析,得出隧道外半徑與沉降槽寬度系數(shù)并沒有太強(qiáng)的聯(lián)系,而隧道埋置深度與該系數(shù)密切相關(guān)。

        北方交通大學(xué)張彌[4]等開發(fā)的專家系統(tǒng)可以用來預(yù)測(cè)地表沉陷,該系統(tǒng)得到了較為廣泛的推廣及應(yīng)用。李特威尼申提出了隨機(jī)介質(zhì)理論,為地層移動(dòng)問題的解決提供了理論依據(jù)。劉寶深[5]等進(jìn)一步研究隨機(jī)介質(zhì)理論,使其應(yīng)用于隧道施工引起的地表沉降的預(yù)測(cè)。吳波[6]等通過有限元模型和離心試驗(yàn)等分析了復(fù)雜環(huán)境下的隧道施工對(duì)地表沉降的影響。姚宣德[7]等分析了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),給出了大跨度地鐵隧道開挖造成的沉降控制的建議值。

        由于隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)存在高度非線性,隧道開挖過程存在分期分塊的特點(diǎn),合理選取開挖方式和支護(hù)結(jié)構(gòu),從而產(chǎn)生最佳效益是地下工程追求的目標(biāo)之一,數(shù)值模擬方法是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的有效途徑。1995年,朱維申[8]等對(duì)某水電站地下結(jié)構(gòu)施工順序進(jìn)行了優(yōu)化。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過大量的實(shí)踐研究,也認(rèn)識(shí)到不同施工路徑對(duì)施工效益存在影響。

        地下工程開挖的過程中,地表會(huì)發(fā)生沉降,甚至產(chǎn)生破壞作用。深入研究隧道開挖方法,有效控制地表沉降是國(guó)內(nèi)外學(xué)者共同關(guān)注的課題。

        王夢(mèng)恕院士[9]在新奧法原理的基礎(chǔ)上,提出了淺埋暗挖的十八字方針—“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤測(cè)量”。吳應(yīng)明[10]等提出淺埋暗挖隧道施工中影響地表下降及地層變形的因素包括:圍巖特性、隧道疊加效應(yīng)、施工工法、地下水、開挖進(jìn)尺、襯砌性質(zhì)等,并提出了遵循“十八字”原則、改善土體特性、適度降低地下水位、根據(jù)地層條件選擇開挖方法、增大左右線并行開挖面的距離、合理確定開挖進(jìn)尺、提高施工效率、加強(qiáng)初期支護(hù)、及時(shí)施作二次襯砌等對(duì)策。呂勤、張頂立[10]等結(jié)合深圳地鐵一期工程的淺埋暗挖具體工程實(shí)例及地質(zhì)條件,進(jìn)行土層實(shí)驗(yàn)研究,深入分析地層大變形機(jī)理及其影響因素,發(fā)現(xiàn)應(yīng)用地層變形控制原則及相應(yīng)的綜合技術(shù)措施后,地層變形大幅度降低。

        1 數(shù)值模型

        基于Abaqus商業(yè)有限元軟件,以某地鐵隧道為背景,建立地層結(jié)構(gòu)模型,研究不同施工方法影響下,結(jié)構(gòu)受力以及圍巖變形特點(diǎn)。二次襯砌結(jié)構(gòu)厚度 80 cm,初期支護(hù)為噴射混凝土,厚度30 cm,材料參數(shù)見表1。

        表1 數(shù)值模型參數(shù)

        主要考慮臺(tái)階法、交叉中隔墻法(CRD法)以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等三種不同方法,見圖1。臺(tái)階法首先進(jìn)行隧道上半部分圍巖開挖,然后進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)施做,當(dāng)上臺(tái)階超前一定距離后,進(jìn)行下半部分?jǐn)嗝媸┕?,最后上下臺(tái)階同時(shí)開挖前進(jìn)。交叉中隔墻法適用于軟弱圍巖中隧道的開挖,其施工工序見圖1所示,將隧道斷面分割成4個(gè)小洞室分別進(jìn)行開挖,先開挖隧道一側(cè),自上而下進(jìn)行,遵循短臺(tái)階、快成環(huán)的施工原則,對(duì)控制地表沉降具有顯著效果,多應(yīng)用于對(duì)地表沉降要求較高的城市地鐵隧道。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是利用兩個(gè)中隔墻將隧道斷面分割成3個(gè)小導(dǎo)洞進(jìn)行,左右兩個(gè)鵝蛋形的導(dǎo)洞先進(jìn)行開挖,及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)封閉,然后進(jìn)行中間斷面開挖。

        圖1 施工開挖步序

        2 地層變形分析

        2.1 臺(tái)階法

        圖2分別給出了上臺(tái)階開挖和全斷面開挖完成后的位移云圖,可以看出,上臺(tái)階開挖對(duì)地層變形的影響最為顯著,上臺(tái)階開挖完成后,拱頂沉降約為4.4 mm,下臺(tái)階部分圍巖出現(xiàn)輕微隆起現(xiàn)象,仰拱中心隆起約2.5 mm。下臺(tái)階開挖完成后,拱頂沉降增加至5.9 mm??梢缘贸?,上臺(tái)階開挖引起的拱頂沉降約占總沉降值的74.6%,說明上臺(tái)階施工中應(yīng)注意臺(tái)階超前長(zhǎng)度的控制,及時(shí)施做初期支護(hù),防治圍巖發(fā)生較大變形。

        圖2 臺(tái)階法施工位移云圖

        圖3 給出了施工過程中地表沉降變化情況。上臺(tái)階開挖完成后地表沉降值為2.3 mm,與拱頂沉降規(guī)律類似,上臺(tái)階開挖引起的地表沉降約占總沉降量的70%左右,由此可知,上臺(tái)階開挖關(guān)系著整個(gè)工程的成敗,是控制地表沉降的關(guān)鍵。實(shí)際工程采用臺(tái)階法施工時(shí),可以采取加固措施,以便于有效控制地層沉降。整個(gè)斷面開挖完成后,斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)及時(shí)封閉成環(huán),地表沉降增量為3.3 mm。另外可以發(fā)現(xiàn),地表沉降槽寬度有所增加,說明橫向影響范圍在增加。

        圖3 臺(tái)階法施工地表沉降槽

        2.2 交叉中隔墻法

        圖4 給出了交叉中隔墻法施工過程中圍巖變形云圖??梢钥闯觯徊嬷懈舯诜ㄊ┕み^程中圍巖變形由非對(duì)稱狀態(tài)逐漸過渡為對(duì)稱狀態(tài)。上部?jī)蓚€(gè)導(dǎo)洞完全開挖完成后拱頂沉降會(huì)突然增大,同時(shí)地表沉降槽也出現(xiàn)顯著增大,這主要是由于上部第二個(gè)導(dǎo)洞開挖完成后,隧道洞徑突增一倍,導(dǎo)致地表大范圍沉降。隧道前三個(gè)導(dǎo)洞的開挖引起的沉降曲線呈非對(duì)稱分布,隧道開挖完成后,地層變形關(guān)于隧道中軸線對(duì)稱分布,見圖5。總體來講,交叉中隔墻法引起的地表沉降值小于臺(tái)階法。

        圖4 交叉中隔墻法施工位移云圖

        圖5 交叉中隔墻法施工地表沉降槽

        2.3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

        圖6 給出了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程中引起的圍巖豎向位移云圖??梢钥闯觯诵耐恋拈_挖是引起沉降控制的關(guān)鍵步序,核心土開挖也是采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖時(shí)控制沉降產(chǎn)生的關(guān)鍵步驟,對(duì)沉降控制有較大影響。核心土開挖完成后地表沉降值為3 mm,拱頂沉降48 mm,核心土開挖引起的地表沉降約占總沉降量的60%以上。由于核心土的開挖在最后一步,左右導(dǎo)坑開挖引起的地表沉降峰值并不在隧道中心線上,見圖7,類似于小凈距隧道開挖引起的地表沉降曲線。

        圖6 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工位移云圖

        圖7 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工地表沉降槽

        3 不同施工方法對(duì)比分析

        圖8給出了不同施工方法引起的地表沉降槽??梢钥闯鍪┕し椒ú煌乇沓两挡煌渲信_(tái)階法引起的地表變形最大,約為3.3 mm,其次是交叉中隔壁法,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的地表沉降最小,在控制地表變形方面最有效。但不同方法引起的沉降槽形狀基本一致,沉降槽寬度基本一致。

        圖8 地表沉降槽曲線對(duì)比

        4 結(jié)語

        通過數(shù)值模擬,研究了臺(tái)階法、交叉中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等不同施工方法作用下,圍巖變形及地表沉降槽變化規(guī)律。結(jié)果表明:(1)施工方法不同地表沉降不同,其中臺(tái)階法引起的地表變形最大,約為3.3 mm。(2)交叉中隔壁法,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的地表沉降最小,在控制地表變形方面最有效。但不同方法引起的沉降槽形狀基本一致,沉降槽寬度基本一致。

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