城市地鐵隧道施工引起的地表沉降研究

朱衛(wèi)東， 楊文定

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南京工程分院 地質(zhì)工程系， 江蘇 南京 210036； 2.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)廳技術(shù)處， 江蘇 南京 210018)

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城市地鐵隧道施工引起的地表沉降研究

朱衛(wèi)東1， 楊文定2

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南京工程分院 地質(zhì)工程系， 江蘇 南京 210036； 2.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)廳技術(shù)處， 江蘇 南京 210018)

城市淺埋暗挖地鐵隧道引起的沉降問題是及難控制的隧道施工關(guān)鍵性問題。從理論與實(shí)際兩個(gè)角度出發(fā)，結(jié)合有限元計(jì)算，對(duì)石家莊地鐵1號(hào)線雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)算了隧道開挖過程中地表變形沉降情況。對(duì)施工段進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋給施工方。結(jié)果表明理論計(jì)算最大豎向沉降量產(chǎn)生在拱頂正上方位置，為45 mm。實(shí)際監(jiān)測(cè)最大豎向沉降量產(chǎn)生在拱頂正上方位置，為70 mm，實(shí)際值約為理論值的1.5倍；實(shí)際值與理論值數(shù)據(jù)沉降變化趨勢(shì)基本一致，證明利用有限元數(shù)值模擬的可靠性與實(shí)用性。

淺埋暗挖； 沉降監(jiān)測(cè)； 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，城市交通日益擁擠，我國(guó)地鐵建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，許多城市存在大量在建地鐵工程。我國(guó)地鐵工程建設(shè)雖發(fā)展迅速，但起步較晚，施工技術(shù)較國(guó)際先進(jìn)水平存在一定差距[1]。當(dāng)前較為先進(jìn)的方法為盾構(gòu)法，由于施工技術(shù)以及周圍環(huán)境與巖土介質(zhì)的復(fù)雜多樣性，在施工過程中產(chǎn)生的地表沉降是不能消除的，在城市條件下，高樓林立，地表沉降將會(huì)對(duì)周圍的高層產(chǎn)生重大影響[2]。在地鐵隧道施工過程中必須嚴(yán)格將地表沉降控制在一定范圍內(nèi)，以免發(fā)生重大安全事故。為減少隧道施工引起的地表沉降，首先需選定合理的施工工藝，進(jìn)行合理的支護(hù)措施，并對(duì)地表沉降變形做出正確估計(jì)[3]。地表變形主要指不均勻沉降以及地表傾斜，隧道施工引起的變形主要是由于施工過程中洞口周圍受到擾動(dòng)以及受到剪切破壞的土體再固結(jié)導(dǎo)致的[4]。本文根據(jù)土體的沉降變形機(jī)理，首先進(jìn)行施工方案設(shè)計(jì)并進(jìn)行有限元理論計(jì)算，然后結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)正在施工路段進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，通過理論計(jì)算與監(jiān)測(cè)分析兩方面驗(yàn)算了施工方案的可行性，以確保工程建設(shè)順利進(jìn)行，促進(jìn)我國(guó)的淺埋暗挖地鐵隧道施工技術(shù)進(jìn)步。

1 工程概況

石家莊地鐵1號(hào)線總長(zhǎng)40 km，西起西王站，東至洨河大道站，是城市東西方向骨干線路，銜接對(duì)外交通樞紐與城市重要功能節(jié)點(diǎn)。設(shè)地下車站20坐，工程總投資為173.2億元，計(jì)劃工期4年9個(gè)月，預(yù)計(jì)2017年9月通車試運(yùn)營(yíng)。1號(hào)線地鐵隧道施工屬于淺埋軟弱圍巖施工，常見隧道施工方式主要有以下3種：臺(tái)階法、中隔壁加臺(tái)階法以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法[5]，由于地質(zhì)條件較差，石家莊1號(hào)線施工方式為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。本文針對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行數(shù)值模擬，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖步序如圖1所示，共分為5個(gè)步驟： ①左導(dǎo)坑上部開挖； ②右導(dǎo)坑上部開挖； ③左導(dǎo)坑下部開挖； ④右導(dǎo)坑下部開挖； ⑤核心土開挖。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法Figure 1 Double side heading method

1.1 有限元模擬

結(jié)合石家莊地鐵洞口實(shí)際工程情況，以隧道里程樁號(hào)為K9+180處大斷面為計(jì)算原型，模型尺寸按照1∶1實(shí)際尺寸選取，如圖2所示，根據(jù)巖土勘察報(bào)告顯示該段隧道為Ⅵ級(jí)圍巖，巖性及差，且埋深較淺，跨徑最大，沉降量難以控制，對(duì)整個(gè)隧道施工建設(shè)具備十分重要的研究?jī)r(jià)值。模型計(jì)算范圍取自隧道底部15.2 m開始至隧道頂部地表處，隧道兩側(cè)計(jì)算范圍取洞徑的3倍，模型兩側(cè)設(shè)置水平約束，底部設(shè)置豎向約束，地表為無(wú)約束自由面。

圖2 計(jì)算模型幾何尺寸(單位： m)Figure 2 Calculation model geometry(unit： m)

結(jié)合巖土勘察報(bào)告以及隧道實(shí)際水文地質(zhì)情況，查閱規(guī)范給出了容重、泊松比、凝聚力等模擬材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)一覽表Table1 Listofphysicalandmechanicalparametersofma-terials圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)容重/(kN·m-3)彈性模量/GPa泊松比凝聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)C30鋼筋混凝土25230.2——Ⅵ級(jí)圍巖170.80.380.222錨桿和鋼拱架782000.3——加固體205.10.250.840

對(duì)模型計(jì)算范圍進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分至關(guān)重要，其疏密程度影響著計(jì)算速度與計(jì)算結(jié)果的精確性，針對(duì)本文計(jì)算采用二維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元，不考慮空間效應(yīng)，采用手工劃分網(wǎng)絡(luò)模型，最終得到的網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分示意圖Figure 3 Schematic diagram of model grid

1.2 結(jié)果分析

通過ANSYS9.0軟件進(jìn)行有限元計(jì)算得到雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)各個(gè)關(guān)鍵工序引起的地層豎向位移云圖如圖4～圖6所示。

根據(jù)圖4～圖6，采集地表豎向位移數(shù)據(jù)，得到各開挖階段斷面豎向沉降值如圖7所示。

圖4 左導(dǎo)坑上部開挖豎向位移云圖Figure 4 Left upper vertical displacement nephogram of heading excavation

圖5 右導(dǎo)坑上部開挖豎向位移云圖Figure 5 Right upper part of the vertical displacement nephogram of heading excavation

圖6 核心土開挖豎向位移云圖Figure 6 Vertical displacement of core soil excavation

圖7 各開挖階段斷面豎向沉降曲線Figure 7 Vertical settlement curve of each excavation stage

根據(jù)圖7可知：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖的沉降理論計(jì)算最大值為40 mm，在左上部開挖階段，由于無(wú)法進(jìn)行支護(hù)措施，導(dǎo)致此階段沉降量最大，約為23 mm，最大沉降值產(chǎn)生在隧道左側(cè)位置，右上部開挖以后，隧道左右沉降值基本對(duì)稱，最大沉降點(diǎn)產(chǎn)生在隧道中軸線兩側(cè)，約為30 mm，此時(shí)中軸線上沉降值約為24 mm，在左上部以及右上部開挖完成以后，可進(jìn)行初期支護(hù)以減小沉降量，因此在左下部以及右下部開挖過程中，沉降量并不明顯，完成右下部開挖工序后，最大沉降值依舊在中軸線兩側(cè)，約為35 mm，中軸線沉降值略小于35 mm，這是由于核心土的存在，對(duì)中軸線上土體具有支撐作用。最后進(jìn)行核心土的開挖，核心圖開挖是控制沉降的關(guān)鍵步驟，在核心土開挖前，必須對(duì)洞口左右兩側(cè)進(jìn)行合理支護(hù)。從整體上來(lái)看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖后三個(gè)步驟的開挖土方量占到了總開挖土方量的70%左右，其導(dǎo)致的地表沉降量?jī)H占總沉降量的50%左右，有效的減小了地表沉降，說明了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖的科學(xué)實(shí)用性。

2 工程沉降監(jiān)測(cè)

由于實(shí)際工程環(huán)境復(fù)雜多變，存在諸多不確定因素，理論與實(shí)際并不能完全同步，實(shí)際監(jiān)測(cè)沉降值往往大于理論計(jì)算值。為確保理論計(jì)算的科學(xué)可靠性，必須進(jìn)行實(shí)例檢測(cè)驗(yàn)證，得到理論值與實(shí)際值之間的差距范圍，以此及時(shí)修正支護(hù)參數(shù)。因此，淺埋暗挖隧的監(jiān)控測(cè)量工作是必不可少的。

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

結(jié)合石家莊市地圖線路施工進(jìn)度現(xiàn)狀，共設(shè)置了14個(gè)地表監(jiān)測(cè)斷面，斷面間距9～10 m，斷面編號(hào)為Ⅱ-1、Ⅱ-2……、Ⅱ-14，每一斷面埋設(shè)13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，間距5 m，如圖8，圖9所示。基點(diǎn)(不動(dòng)點(diǎn))設(shè)于三倍洞徑外，測(cè)點(diǎn)埋設(shè)深度為25 cm，采用鋼筋混凝土鉆孔澆筑，并將預(yù)埋件固定于現(xiàn)澆混凝土之上，澆筑完畢后加以養(yǎng)護(hù)。在距離掌子面10 m左右時(shí)刻測(cè)度并記錄初始數(shù)據(jù)。

圖8 監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置Figure 8 Layout of monitoring section

圖9 地表測(cè)點(diǎn)埋設(shè)Figure 9 Buried surface measuring points

2.2 量測(cè)儀器、方法及頻率

采用ds03精密水準(zhǔn)儀(見圖10)與剛掛尺進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)，觀測(cè)精度為0.1 mm，測(cè)得測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)高差，進(jìn)而計(jì)算出沉降量變化；水平收斂采用JSS30A 型精密收斂計(jì)(見圖11)，觀測(cè)精度為0.01 mm。

圖11 JSS30A 型收斂劑Figure 11 JSS30A Convergence agent

觀測(cè)頻率：觀測(cè)斷面距掌子面5 m左右開始觀測(cè)，每天早6：00、晚6：00各記錄一次觀測(cè)數(shù)據(jù)，并與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工步序相結(jié)合，確保在每一施工步序記錄足夠的數(shù)據(jù)，若出現(xiàn)異常位移突變，需及時(shí)反饋給施工方并增加監(jiān)測(cè)頻率，延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)間；直至地表位移速度小于0.1 mm/d，水平收斂位移速度為 0.1～0.2 mm/d，認(rèn)為圍巖基本穩(wěn)定，可停止監(jiān)測(cè)。

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

選取Ⅱ-5斷面為例，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合開挖工序進(jìn)行處理，得到各測(cè)點(diǎn)在各個(gè)施工步下的沉降情況如圖12所示。

圖12 Ⅱ-5斷面地表沉降與施工步關(guān)系直方圖Figure 12 Relationship between surface subsidence and construction step

根據(jù)圖12可知：左上部開挖與右上部開挖階段導(dǎo)致地表產(chǎn)生較大變形，在左上部開挖階段，左導(dǎo)坑正上方測(cè)點(diǎn)(6號(hào)測(cè)點(diǎn))沉降值高達(dá)36 mm，約占該點(diǎn)總沉降變形量的60%，在此階段核心土正上方測(cè)點(diǎn)(7號(hào)測(cè)點(diǎn))的沉降值也高達(dá)34 mm，約占3號(hào)測(cè)點(diǎn)總沉降量的50%。結(jié)合直方圖橫向來(lái)看，第二步開挖過程沉降量總體上來(lái)說約為第一步開挖沉降量的55%左右，這是由于在第一步開挖過程中已經(jīng)導(dǎo)致水分大量遷移，降低了右導(dǎo)坑圍巖含水率，至使圍巖強(qiáng)度提高。在下左部、下右部開挖階段沉降值大大降低，這是由于在上右部開挖以后進(jìn)行了初期支護(hù)，削弱了集中應(yīng)力。在第五步核心土開挖后，沉降值較右下部開挖階段增大不少，3個(gè)測(cè)點(diǎn)沉降值都在15 mm左右，這是由于核心土對(duì)整個(gè)隧道結(jié)構(gòu)存在較大支持作用，開挖核心土以后，拱頂部位圍巖失去支撐，應(yīng)力急劇變化，發(fā)生卸荷效應(yīng)。因此在核心土開挖以前，必須加強(qiáng)初期支護(hù)工作，保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。根據(jù)圖12中數(shù)據(jù)可得到各開挖階段斷面豎向沉降曲線趨勢(shì)變化如圖13所示。

圖13 各開挖階段斷面豎向沉降曲線Figure 13 Vertical settlement curve of each excavation stage

對(duì)比圖13與圖7可知：實(shí)際監(jiān)測(cè)值與理論計(jì)算值數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致，表明了理論計(jì)算方法的科學(xué)實(shí)用性，實(shí)際檢測(cè)值大于理論計(jì)算值，這是由于理論計(jì)算進(jìn)行了模型假設(shè)，消除了許多不確定因素?？傮w來(lái)說，實(shí)際監(jiān)測(cè)沉降值約為理論計(jì)算沉降值的1.5倍，可作為日后施工設(shè)計(jì)的參考值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

本文以石家莊地鐵1號(hào)線為依托工程，首先進(jìn)行了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的有限元理論計(jì)算，然后結(jié)合實(shí)際施工過程中的沉降結(jié)果，從理論與實(shí)際2個(gè)方面進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

① 通過ANSYS9.0軟件進(jìn)行了沉降量的模擬計(jì)算，最終得到了在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工方案下各施工步驟的地表沉降值，施工結(jié)束后的最大沉降值約為40 mm；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖后3個(gè)步驟的開挖土方量占到了總開挖土方量的70%左右，其導(dǎo)致的地表沉降量?jī)H占總沉降量的50%左右，有效的減小了地表沉降。

② 進(jìn)行了測(cè)點(diǎn)布置，設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)方案，對(duì)監(jiān)測(cè)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出結(jié)論在左導(dǎo)坑上部開挖階段，左導(dǎo)坑正上方測(cè)點(diǎn)(6號(hào)測(cè)點(diǎn))沉降值高達(dá)36 mm，約占該點(diǎn)總沉降變形量的60%。核心土開挖后，沉降值較右下部開挖階段增大不少，在核心土開挖前進(jìn)行初期支護(hù)，可高效降低核心土開挖階段產(chǎn)生的沉降量。

③ 通過對(duì)比可知理論計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果變化趨勢(shì)具有一致性，證明了利用有限元數(shù)值模擬的可靠性與實(shí)用性，同時(shí)也表明了石家莊地鐵1號(hào)線采取雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的合理性。

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Research on Ground Surface Subsidence Caused by Metro Tunnel Construction

ZHU Weidong1， YANG Wending2

(1.Jiangsu Union Technical Institute Nanjing Branch， Geological Engineering， Nanjing， Jiangsu 210036， China； 2.Department of Geology and Mineral Resources of Jiangsu Province， Nanjing， Jiangsu 210018， China)

Settlement caused by shallow underground excavation metro tunnel is difficult to control the construction of the key issues of the construction of the tunnel.In this paper，from both the theoretical and practical perspectives of combined with finite element method，numerical simulation of Shijiazhuang Metro Line 1 bilateral wall heading method construction scheme，checking the tunnel excavation process in the deformation of the ground surface settlement.The settlement monitoring scheme is designed and monitored in the construction stage，and the monitoring results are timely feedback to the construction side.The results show that the theoretical calculation of the maximum vertical settlement is generated at the top of the roof，which is 45 mm.The actual monitoring of the maximum vertical settlement in vault is positioned at the top，70 mm，the actual value is about theoretical value of 1.5 times；the actual value and theoretical value data settlement trends are basically the same，show the reliability and practicability of using finite element numerical simulation.

shallow buried excavation； settlement monitoring； both side drift method

2016 — 07 — 12

江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題(B-b/2015/03/067)

朱衛(wèi)東(1967 — )，男，江蘇東海人，講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榈刭|(zhì)資源勘查。

U 456.3

A

1674 — 0610(2016)05 — 0195 — 05