楊東仁，張歡，姚瑤

（上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司青島分公司，山東 青島 266000）

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，城市地面交通壓力日益繁重， 城市地下隧道成為有效解決城市地面交通壓力的有效途徑。 而城市核心區(qū)域狹窄的作業(yè)面對(duì)隧道建設(shè)提出了更高要求，因此，越來(lái)越多的城市地下交通隧道采用淺埋暗挖方法進(jìn)行施工[1]。

當(dāng)前，對(duì)軟土地層及軟弱圍巖地層隧道施工研究較多[2-4]，而典型土巖組合地層下，上層覆土厚度不均勻，土巖地層轉(zhuǎn)換較快，淺埋暗挖施工引起的周邊地表沉降變形與拱頂沉降、凈空收斂變形情況尚未開(kāi)展深入研究。 當(dāng)前，常用淺埋暗挖施工引起變形的研究方法主要有解析法[5]和數(shù)值模擬法[6-7]。

2 工程概況

青島市某地鐵車站風(fēng)道采用暗挖法施工，風(fēng)道寬14.1 m，高15.6 m，所處地層為強(qiáng)、中、微風(fēng)化花崗巖層，圍巖等級(jí)為Ⅲ～Ⅳ級(jí)，風(fēng)道處圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)，采用臺(tái)階法和拱部CD 法施工，與主體接口段采用拱部CD 法施工。

場(chǎng)區(qū)第四系厚度0.00～12.10 m，主要由第四系全新統(tǒng)人工填土層（）及上更新統(tǒng)洪沖積層（）粉質(zhì)黏土層及砂土層組成。 場(chǎng)地地下水類型主要為基巖裂隙潛水，水量較豐富。

3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)與三維有限元模型建立

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

淺埋暗挖工程監(jiān)測(cè)過(guò)程中，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為地表沉降、拱頂沉降和凈空收斂。 地表沉降點(diǎn)以斷面中線為中心，梯次向兩側(cè)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每斷面共布設(shè)9 個(gè)地表沉降點(diǎn)。 于開(kāi)挖完成斷面中線拱頂位置布設(shè)拱頂沉降點(diǎn)， 兩側(cè)拱肩或拱腰位置布設(shè)一組凈空收斂點(diǎn)。

3.2 三維有限元模型建立

對(duì)車站風(fēng)井橫通道臺(tái)階法施作段與CD 法施作段分別進(jìn)行數(shù)值模擬，采用MIDAS-GTS 有限元分析軟件，細(xì)化淺埋暗挖施工步驟，建立有限元模型，還原淺埋暗挖整個(gè)施工過(guò)程。

臺(tái)階法施作段開(kāi)挖分步進(jìn)行，開(kāi)挖前設(shè)置超前錨桿支護(hù)，每施作一步，設(shè)置相應(yīng)初期支護(hù)，全部開(kāi)挖完成后施作二次襯砌，開(kāi)挖步驟如表1 所示。 采用修正摩爾-庫(kù)倫模型構(gòu)建有限元分析模型，模擬各土層及圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

表1 臺(tái)階法開(kāi)挖步驟

4 地表沉降變形結(jié)果分析

4.1 地表沉降時(shí)間變形特性

臺(tái)階法施作段共設(shè)置8 個(gè)導(dǎo)洞，CD 法施作段設(shè)置4 個(gè)導(dǎo)洞，以淺埋暗挖施工各階段為時(shí)間導(dǎo)向，通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤兩斷面現(xiàn)場(chǎng)圍巖開(kāi)挖推進(jìn)速度， 得到分步開(kāi)挖各階段地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，各階段地表沉降最大值如圖1 所示。

圖1 臺(tái)階法淺埋暗挖各階段最大地表沉降

對(duì)比分析可得臺(tái)階法與CD 法段最大地表沉降隨著開(kāi)挖進(jìn)行不斷增加， 拆除臨時(shí)支撐施作二次襯砌前最大地表沉降達(dá)到最大值。 其中， 臺(tái)階法段實(shí)際監(jiān)測(cè)得到最大地表沉降為5.63 mm，數(shù)值模擬結(jié)果為4.77 mm，臺(tái)階法上臺(tái)階上側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)，地表沉降變形幅度最大。 CD 法段實(shí)際監(jiān)測(cè)得到最大地表沉降為6.82 mm，數(shù)值模擬結(jié)果為4.63 mm，CD 法左上導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)，地表沉降變形幅度最大。

臺(tái)階法上臺(tái)階上側(cè)導(dǎo)洞與CD 法左上導(dǎo)洞開(kāi)挖為首次進(jìn)行爆破開(kāi)挖，風(fēng)道周邊巖土體平衡狀態(tài)被打破，周邊巖土體向開(kāi)挖的臨空面釋放載荷，進(jìn)而導(dǎo)致地表發(fā)生較大沉降。 其中，由數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可得，CD 法淺埋暗挖段開(kāi)挖完成，中隔壁拆除時(shí)，發(fā)生較為明顯地表沉降。 CD 法施作時(shí)，中隔壁起到臨時(shí)支撐作用，因此發(fā)生較大變形。

4.2 地表沉降空間變形特性

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，選擇距離風(fēng)道中線5 m、10 m、18 m、28 m 位置地表沉降模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析， 得到對(duì)比分析結(jié)果如圖2 所示。

圖2 臺(tái)階法段地表沉降與距風(fēng)道中線距離關(guān)系圖

對(duì)比分析得到，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果非常接近，臺(tái)階法段與CD 法段均在風(fēng)道中線位置， 地表沉降達(dá)到最大值，距離風(fēng)道中線越遠(yuǎn)，地表沉降值梯次遞減。 風(fēng)道周邊兩側(cè)地表沉降值關(guān)于風(fēng)道中線呈軸對(duì)稱，關(guān)系呈正態(tài)分布，從中線向兩側(cè)，地表沉降變形趨勢(shì)逐漸遞減，直至趨近于零。

Peck[8]基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，提出隧道施工引起的地表沉降呈正態(tài)分布， 并總結(jié)得到單線盾構(gòu)橫向地表沉降預(yù)測(cè)公式。將臺(tái)階法與CD 法段地表沉降與距風(fēng)道中線距離關(guān)系曲線代入單線隧道開(kāi)挖Peck 公式進(jìn)行擬合。 臺(tái)階法與CD 法段地表沉降與距風(fēng)道中線距離關(guān)系曲線與單線隧道開(kāi)挖Peck 公式擬合效果良好， 淺埋暗挖施工地表沉降變形遵循Peck 公式。

5 拱頂沉降與凈空收斂變形分析

選取淺埋暗挖各分步開(kāi)挖階段拱頂沉降與凈空收斂實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比分析，臺(tái)階法段拱頂沉降數(shù)值模擬結(jié)果如圖3 所示，各階段最大值如圖4 所示。 由數(shù)值模擬結(jié)果可得， 臺(tái)階法段與CD 法段拱頂沉降最大處位于拱頂位置，凈空收斂最大處位于拱腰處。 其中，臺(tái)階法段數(shù)值模擬得到拱頂沉降最大為6.23 mm，實(shí)際監(jiān)測(cè)為5.37 mm；凈空收斂最大為1.31 mm，實(shí)際監(jiān)測(cè)為2.17 mm。CD 法拱頂沉降最大為6.37 mm，實(shí)際監(jiān)測(cè)為5.31 mm；凈空收斂最大為2.48 mm，實(shí)際監(jiān)測(cè)為1.04 mm。

圖3 臺(tái)階法段拱頂沉降變形云圖

圖4 臺(tái)階法各階段拱頂沉降與凈空收斂最大值

臺(tái)階法段，上臺(tái)階上側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖為首次進(jìn)行爆破開(kāi)挖，拱頂沉降與凈空收斂變形幅度較大，導(dǎo)洞緊鄰頂部巖土體，開(kāi)挖拱頂沉降變形幅度最大。 上臺(tái)階左右兩側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)，導(dǎo)洞部分緊鄰頂部巖土體，拱頂沉降變形幅度較大。 中臺(tái)階與下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，導(dǎo)洞不接觸頂部巖土體，拱頂沉降變形幅度較小。 臺(tái)階法開(kāi)挖完成后，施作二次襯砌，此時(shí)周邊巖土體荷載均施加至圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，巖土體受力平衡，變形趨于穩(wěn)定，拱頂沉降與凈空收斂達(dá)到最大值。

CD 法施作段左上導(dǎo)洞開(kāi)挖為首次進(jìn)行爆破開(kāi)挖此時(shí)拱頂沉降與凈空收斂變形幅度最大，隨著淺埋暗挖施工進(jìn)行，拱頂沉降與凈空收斂變形逐漸增大，臨時(shí)支護(hù)用中隔壁拆除，二次襯砌施作后，巖土體受力平衡，變形趨于穩(wěn)定，拱頂沉降與凈空收斂達(dá)到最大值。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)青島市某地鐵車站風(fēng)道典型土巖組合大斷面淺埋暗挖數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析， 總結(jié)得到變形規(guī)律如下。

1）土巖組合地區(qū)上層覆土厚度較淺，圍巖等級(jí)較高時(shí)，淺埋暗挖施工引起的地表沉降變形較小， 地表沉降隨圍巖爆破施工逐漸變大， 首個(gè)導(dǎo)洞進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)， 地表沉降變形幅度最大，二次襯砌施作后，地表沉降達(dá)到最大值。

2）地表沉降在風(fēng)道中線位置達(dá)到最大值，距離風(fēng)道中線越遠(yuǎn)，地表沉降值梯次遞減，淺埋暗挖地表沉降與距風(fēng)道中線距離關(guān)系曲線服從單線隧道開(kāi)挖Peck 公式。

3）土巖組合地層淺埋暗挖施工拱頂沉降與凈空收斂變形較小，首個(gè)導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)拱頂沉降與凈空收斂變形幅度較大，隨著淺埋暗挖施工進(jìn)行，變形逐漸增大，二次襯砌施作后達(dá)到最大值。