引 言

 

 在地鐵隧道施工中, 由于隧道開挖將造成土體應(yīng)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(shí)空上相當(dāng)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?qū)λ淼婪�(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(biāo)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(jìn)行了數(shù)值模擬與分析。

 

1 工程簡介

 

 北京地鐵 10 號線某標(biāo)段與車站結(jié)構(gòu)相聯(lián)部位設(shè)4 個(gè)出入口通道, 每個(gè)通道在中洞和側(cè)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(cè)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(hù)結(jié)構(gòu)厚度為 300 mm,二襯結(jié)構(gòu)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(yù)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(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法等。其中 應(yīng)用 較多的是 Peck 提出的經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)的橫坐標(biāo), m。

 

Peck 假定橫向沉陷曲線為正態(tài)分布曲線。當(dāng)橫向沉陷曲線為正態(tài)分布曲線時(shí), Smax 與沉降槽體積 VS滿足下列關(guān)系:沉降槽的寬度系數(shù) i 取決于接近地表的強(qiáng)度, 隧道埋深和隧道半徑。通過在均勻介質(zhì)中試驗(yàn), 得到近似的幾何關(guān)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(yàn)系數(shù), K=0.63￣0.82, n=0.36￣0.97。

 

 由以上經(jīng)驗(yàn)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(dá)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(jì)算 方法對單洞雙層隧道開挖過程進(jìn)行模擬,其中初襯、臨時(shí)支護(hù)均用梁單元, 小導(dǎo)管注漿作用通過提高土體的彈性模量及 c、Ф 值來進(jìn)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(cè)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(cè)洞單洞單層通道的過渡, 對它施工所引起的地層擾動(dòng), 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(dòng)態(tài)過程, 先進(jìn)行第①步拱部超前小導(dǎo)管注漿, 臺階法開挖①步土體, 鋪設(shè)Ф6- 150×150鋼筋網(wǎng), 架格柵并作格柵鎖腳錨桿, 隧道支護(hù)參數(shù)見表 2, 噴混凝土作初襯。然后依次進(jìn)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(jìn)行分步開挖計(jì)算時(shí), 取隧道中線為零點(diǎn), 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(yīng), 使模型更能真實(shí)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(diǎn)為對稱點(diǎn)對地表 18 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了地表豎向位移的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集, 有關(guān)分步開挖地表的沉降分布形態(tài)見圖 4。第一步導(dǎo)洞①開挖, 地表最大沉降量模擬計(jì)算值為36 mm, 地表沉降呈正態(tài)分布, 現(xiàn)場實(shí)測最大沉降量為 34.65 mm , 第二步開挖地表模擬計(jì)算值最大沉降量為 38.149 mm, 實(shí)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(jìn)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(dāng)?shù)诙�步開挖先開挖導(dǎo)洞③后地 表 變 形 的 情 況 , 開 挖 面 上 對 應(yīng) 的 地 表 出 現(xiàn) 了18.165 mm 的隆起, 與第一步開挖導(dǎo)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(jìn)行第三步導(dǎo)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(dǎo)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(shí)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(cè)導(dǎo)洞④的開挖引起沉降槽向 x軸負(fù)方向移動(dòng), 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(dǎo)洞③開挖地表沉降的趨勢一致, 沉降槽的最低點(diǎn)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(dǎo)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(shí)沉降槽的寬度增加20%左右, 并且沉降槽偏移, 與實(shí)際施工性態(tài)相符,此時(shí)正是進(jìn)行導(dǎo)洞⑤的開挖; 第六步導(dǎo)洞⑥開挖, 隧道中心點(diǎn)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(shí)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(dǎo)洞偏挖時(shí), 沉降槽向未開挖一側(cè)偏移; 在右側(cè)導(dǎo)洞③④開挖時(shí), 可以認(rèn)為開挖沉降槽是新形成的, 但是新的沉降槽反映出導(dǎo)洞③④開挖對地層的擾動(dòng)沒有初始開挖對地層的擾動(dòng)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(jìn)行控制。圖 5 是模擬第三步施工先開挖導(dǎo)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(dá) 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(shí)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(jìn)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(jìn)行, 拱頂?shù)某两抵抵饾u變?yōu)檎��? 與實(shí)測相符。拱頂由于小導(dǎo)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(yīng)力的變化見圖 7, 開挖初始第一、第二步, 拱頂土體主應(yīng)力最大值為 180 kPa, 距離隧道中線- 0.912 m 處, 主應(yīng)力值為零。隨著開挖步的進(jìn)行, 隧道初襯的施作, 遠(yuǎn)離隧道中線處隧道右側(cè), 拱頂土體主應(yīng)力逐漸增加, 隧道中線左側(cè)第一開挖步 15 m 范圍內(nèi), 拱頂土體主應(yīng)力變化不大, 基本一致。3 結(jié) 語

 

 本文以北京地鐵 10 號線某標(biāo)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(jìn)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(yīng)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(huì)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(shí)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(cè)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(jì)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(cè)導(dǎo)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(jié)構(gòu)內(nèi)力應(yīng)予以重視, 尤其對于中隔壁支撐及拱底襯砌的支護(hù), 要及時(shí)施作拱底二次襯砌。

 

參 考 文 獻(xiàn)

 

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