淺埋暗挖隧道施工性態(tài)的數(shù)值模擬與分析

 

引 言

 

 在地鐵隧道施工中, 由于隧道開挖將造成土體應力重分布, 因此在一定的土體環(huán)境中, 隧道的開挖方式對隧道穩(wěn)定性及地表沉降影響尤為顯著[1]。不同的施工程序, 在時空上相當于荷載以不同的方式施加在隧道上[2], 尤其對于淺埋隧道, 覆土厚度較小, 圍巖松散, 自承能力差, 隧道開挖引起很大的地表沉降, 往往造成周邊建筑物破損、傾斜甚至倒塌。因此研究隧道施工工序對隧道穩(wěn)定及地表沉降的影響具有重要意義[3]。本文即對北京地鐵 10 號線某標段單洞雙層通道的施工工序引起的地表沉降及拱頂沉降進行了數(shù)值模擬與分析。

 

1 工程簡介

 

 北京地鐵 10 號線某標段與車站結構相聯(lián)部位設4 個出入口通道, 每個通道在中洞和側洞之間的部分為單洞雙層通道, 其余部分為單層通道, 均采用暗挖法施工。東南和東北出入口通道, 中洞和側洞之間雙層部分長度為 6.94 m, 雙層通道的開挖尺寸寬×高為6600 mm×12000 mm, 初期支護結構厚度為 300 mm,二襯結構厚度為 500 mm, 二襯凈空尺寸寬×高為5000 mm×10100 mm。見圖 1, 土層參數(shù)見表 1。2 地表變形分析

 

2.1 地表沉降 理論 分析

 

 預測地面沉降量及影響范圍的常用的 方法 有邊界元法、有限元法、根據(jù)實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計方法等。其中 應用 較多的是 Peck 提出的經(jīng)驗公式[3]:式中: S( x) 為距離隧道中線 x 處的地面沉降量,m; S( max) 為隧道中線 x=0 處的地面沉降量, m; x 為距隧道中線的距離, m; i 為沉降槽的寬度系數(shù), 即沉陷曲線反彎點的橫坐標, m。

 

Peck 假定橫向沉陷曲線為正態(tài)分布曲線。當橫向沉陷曲線為正態(tài)分布曲線時, Smax 與沉降槽體積 VS滿足下列關系:沉降槽的寬度系數(shù) i 取決于接近地表的強度, 隧道埋深和隧道半徑。通過在均勻介質(zhì)中試驗, 得到近似的幾何關系是:式中: Z 為隧道開挖面中心至地面的距離, m; R 為隧道半徑, m; K, n 為試驗系數(shù), K=0.63￣0.82, n=0.36￣0.97。

 

 由以上經(jīng)驗理論可知, 地層沉降沿深度在任一橫斷面呈正態(tài)分布, 最大沉降位于隧道中心位置處, 隨著隧道埋深 Z 的不斷增加, 地表最大沉降值也不斷增大, 在隧道拱頂位置處沉降值達到最大。

 

2.2 數(shù)值模擬

 

 本文分析采用了 Mohr-Coulomb 塑性模型[4], 有限差分 計算 方法對單洞雙層隧道開挖過程進行模擬,其中初襯、臨時支護均用梁單元, 小導管注漿作用通過提高土體的彈性模量及 c、Ф 值來進行模擬。目前世界上單洞雙層隧道并不多見, 但是在隧道的出入口與車站中洞與側洞相連的部位, 單洞雙層通道較多,只是長度較短, 施工往往被忽視。而此處恰是車站與側洞單洞單層通道的過渡, 對它施工所引起的地層擾動, 直接影響到測洞和車站的施工。本文完全模擬了雙層通道施工的動態(tài)過程, 先進行第①步拱部超前小導管注漿, 臺階法開挖①步土體, 鋪設Ф6- 150×150鋼筋網(wǎng), 架格柵并作格柵鎖腳錨桿, 隧道支護參數(shù)見表 2, 噴混凝土作初襯。然后依次進行第②～⑥步的施工, 見圖 2。

 

2.3 分部開挖引起的地表沉降分析

 

 在進行分步開挖計算時, 取隧道中線為零點, 開挖水平影響范圍約為隧道跨度的 15 倍, 以減小模型的邊界約束效應, 使模型更能真實地反映開挖引起的沉降, 豎向影響范圍為隧道開挖深度的 5 倍, 建立了100 m×60 m 的網(wǎng)格[5-6], 見圖 3, 以隧道中心點為對稱點對地表 18 個點進行了地表豎向位移的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集, 有關分步開挖地表的沉降分布形態(tài)見圖 4。第一步導洞①開挖, 地表最大沉降量模擬計算值為36 mm, 地表沉降呈正態(tài)分布, 現(xiàn)場實測最大沉降量為 34.65 mm , 第二步開挖地表模擬計算值最大沉降量為 38.149 mm, 實測值為 37.7 mm, 沉降槽的寬度沒有變化, 水平影響范圍也沒有增加, 在-40 m ～+40 m 處沉降曲線幾乎重合, 說明隨著隧道進一步開挖, 地表沉降曲線沉降槽的寬度沒有變化, 沉降量略有增加。本文也模擬了當?shù)诙�步開挖先開挖導洞③后地 表 變 形 的 情 況 , 開 挖 面 上 對 應 的 地 表 出 現(xiàn) 了18.165 mm 的隆起, 與第一步開挖導洞地層的變形完全相反, 沉降槽的寬度也明顯增加, 不利于地層的穩(wěn)定沉降。進行第三步導洞③的開挖后, 地表最大沉降發(fā)生在距離隧道中線- 2.45 m 處, 沉降量為 20.637 mm,沉降槽右移; 第四步導洞④開挖完成后, 地表的最大變形發(fā)生在距離隧道中線 12.4 m 處, 隆起量為10.55 mm, 同時在距離隧道中線- 17.4 m 處發(fā)生了7.436 mm 的地表最大沉降, 沉降曲線表明右側導洞④的開挖引起沉降槽向 x軸負方向移動, 但并不是簡單的平移, 以隧道中心線為中心 0～40 m 之間的地表均有不同程度的隆起, 大于 20 m 的范圍地表沉降的趨勢與導洞③開挖地表沉降的趨勢一致, 沉降槽的最低點在中心線附近, 沉降曲線表明地層變形很平緩。說明該施工過程有利于地表沉降的控制。第五步導洞⑤開挖后, 地表最大變形發(fā)生在距離隧道中線 7.44 m處, 最大沉降量為 45.759 mm, 最大隆起發(fā)生在距離隧道中線- 22.4 m 處, 隆起值為 7.08 mm, 沉降槽的寬度比第一步、第二步開挖時沉降槽的寬度增加20%左右, 并且沉降槽偏移, 與實際施工性態(tài)相符,此時正是進行導洞⑤的開挖; 第六步導洞⑥開挖, 隧道中心點附近- 2.45 m 處地表發(fā)生 37.596 mm 的沉降, 最大隆起發(fā)生在距離隧道中線- 22.4 m 處, 隆起值為 11.03 mm, 沉降槽的寬度有所收斂, 比第一步、第二步開挖的沉降槽寬度減小 5%左右, 并且沉降槽向隧道中線偏移, 此時單洞雙層隧道開挖完畢。

 

 從以上數(shù)值 分析 , 可以看出分步施工中, 隧道先期導洞偏挖時, 沉降槽向未開挖一側偏移; 在右側導洞③④開挖時, 可以認為開挖沉降槽是新形成的, 但是新的沉降槽反映出導洞③④開挖對地層的擾動沒有初始開挖對地層的擾動大, 并且新的沉降槽是受先期地層沉降 影響 的, 有利于對施工引起的地表沉降進行控制。圖 5 是模擬第三步施工先開挖導洞⑤引起的地表沉降曲線, 隨著隧道開挖深度的增加, 地表沉降繼續(xù) 發(fā)展 , 最大沉降量達 60 mm, 在開挖跨度 3.3 m 范圍內(nèi), 地表沉降均在 60 mm 左右, 說明此時襯砌受到的圍巖壓力很大, 沉降槽的寬度收斂, 表明沉降槽的寬度與形狀受隧道開挖面的形狀影響較大。

 

 在開挖過程中, 拱頂?shù)某两狄妶D 6, 隨著施工步的進行, 拱頂?shù)某两党示�性, 但是距離隧道中線-3 m的拱頂沉降變化很小, 隨著施工步的進行, 拱頂?shù)某两抵抵饾u變?yōu)檎��? 與實測相符。拱頂由于小導管注漿加固地層, 襯砌剛度比較大, 因此拱頂?shù)牡貙幼冃纬示�性。拱頂土體主應力的變化見圖 7, 開挖初始第一、第二步, 拱頂土體主應力最大值為 180 kPa, 距離隧道中線- 0.912 m 處, 主應力值為零。隨著開挖步的進行, 隧道初襯的施作, 遠離隧道中線處隧道右側, 拱頂土體主應力逐漸增加, 隧道中線左側第一開挖步 15 m 范圍內(nèi), 拱頂土體主應力變化不大, 基本一致。3 結 語

 

 本文以北京地鐵 10 號線某標段車站與出入口銜接處的單洞雙層隧道工程為 研究 對象, 對該區(qū)域隧道施工引起的地表沉降進行了數(shù)值模擬分析, 探索了單洞雙層隧道施工一次性開挖成洞及隧道分步開挖引起的地表沉降槽的變化形態(tài), 分析了因施工工序不同偏挖引起的地表變形的 規(guī)律 , 拱頂沉降及拱頂主應力的變化規(guī)律。研究表明:

 

 ( 1) 在斷面形狀尺寸, 土層參數(shù)、地質(zhì)條件相同的條件下, 單洞雙層隧道施工一次性開挖成洞, 會造成大范圍的地表沉降, 甚至洞孔坍塌。合理地分步開挖、及時施作襯砌有效地控制了地表變形和洞周位移。

 

 ( 2) 施工工序不同使隧道的偏挖引起地表沉降槽向未開挖一側偏移, 表明隧道在開挖過程中地層最大沉降并不發(fā)生在隧道中線處, 而在完成全部開挖, 地層變形穩(wěn)定后, 其累計沉降最大值位于隧道中線處。

 

 ( 3) 沉降槽的形狀受隧道開挖斷面形狀與開挖深度影響, 隧道中線右側導洞③④的開挖形成的地表沉降槽表明第三、四步開挖對地表變形的影響均小于第一、二步開挖對地表變形的影響。

 

 ( 4) 隧道開挖襯砌完全施作后, 地表沉降變化不大, 但是后序開挖步引起的結構內(nèi)力應予以重視, 尤其對于中隔壁支撐及拱底襯砌的支護, 要及時施作拱底二次襯砌。

 

參 考 文 獻

 

[ 1] 孫鈞. 地下工程設計 理論 與實踐[ M] . 上海: 上海 科學 技術出 版 社 , 1996: 36- 42 ( Sun Jun.  The  Design Theory andPractice on Underground Engineering[ M] . Shanghai: Shanghai Scientific and Technical Publishers, 1996: 36- 42( inChinese))

 

[ 2] 吳波, 高波, 漆泰岳, 等. 城市地鐵區(qū)間隧道洞群開挖順序優(yōu)化分析[ J] . 中國 鐵道科學, 2003, 24( 5) : 23- 28( WuBo, Gao Bo, Qi Taiyue, et al. Optimization analysis of excavation sequence of tunnel groups between metro stations [ J] . China Railway Science, 2003, 24 ( 5) : 23 - 28 ( in Chinese))

 

[ 3] 施仲衡, 張彌, 王新杰, 等. 地下鐵道設計與施工[ M] . 西安: 陜西科學技術出版社, 1997: 69- 75 ( Shi Zhongheng,Zhang Mi, Wang Xinjie, et al. Design and construction of metro[ M] . Xi’an: Shanxi Scientific and Technical Publishers,1997: 69- 75( in Chinese))

 

[ 4] 劉波, 韓彥輝( 美國) . FLAC 原理、實例與 應用 指南[ M] .北京: 人民 交通 出版社, 2005: 12- 20( Liu Bo, Han Yanhui( U.S.A) .FLAC Theory, Example and Application Manual

 

[ M] .Beijing: China Communications Press, 2005: 12- 20( inChinese))

 

[ 5] Itasca Consulting Group, Inc. FLAC( Fast Lagrangian Analysisof Continua) User’s Manuals, Version5.0[ M] . Minneapolis:Itasca Consulting Group, Inc., 2005

 

[ 6] Donovan K, Pariseau W G, Cepak M. Finite element ap-proach to cable bolting in steeply dipping VCR slopes[ M] //Geomechanics Application in Underground Hardrock Min-ing. New York: Society of Mining Engineers, 1984: 65- 90