摘要:運用數(shù)值分析方法研究淺埋地鐵隧道暗挖施工引起地層變形的空間特征,特別是隧道變形的空間特征。研究表明只有正確認識了隧道收斂變形、預(yù)收斂變形和掌子面擠壓變形之間相互關(guān)聯(lián),才能夠正確認識到引起隧道整個變形過程的真正誘因。

 關(guān)鍵詞　淺埋隧道　收斂變形　擠壓變形　預(yù)收斂變形　核心土體 

1 引言 基于位移控制的隧道設(shè)計與施工方法是未來城市淺埋暗挖隧道設(shè)計與施工的發(fā)展方向之一,認識隧道變形的空間特征以及其表現(xiàn)形式的相互關(guān)聯(lián)是發(fā)展新的隧道設(shè)計與施工理念的基礎(chǔ)。本文以數(shù)值方法作為試驗手段,對土質(zhì)淺埋隧道施工引起地層位移進行研究。

2 數(shù)值模型簡介 北京地鐵五號線和平西橋站—北土城東路站的區(qū)間隧道采用淺埋暗挖理論進行設(shè)計與施工, A型標準斷面是以上下臺階法開挖,并保留核心土,在隧道拱部135°范圍內(nèi)進行小導(dǎo)管注漿超前支護。模擬隧道尺寸取區(qū)間隧道A型標準斷面尺寸: 6.00 m×6.43 m,考慮隧道埋深為9.00m。數(shù)值模型僅僅考慮了

單條隧道,隧道縱向取50.00 m,橫向考慮了72.00 m,地層深度39.43 m。 計算采用美國Itasca公司開發(fā)的有限差分軟件FLAC3D。有限差分模型見圖1,共66 800個單元,71 604個節(jié)點。監(jiān)測了地表沉降、隧道拱頂沉降、仰拱底鼓位移、拱腰水平位移、掌子面以及其前方核心土體的擠壓變形。模擬隧道縱向25 m處

掌子面內(nèi)外監(jiān)測點布置見圖2。數(shù)值計算的步驟為:全斷面開挖進尺1 m并計算,施加初期支護并進行下1 m開挖,仰拱施加落后施工掌子面4 m,并以2 m一次性施加仰拱,即仰拱離施工掌子面的最小距離為2 m。掌子面前方核心土一次性加固10 m,并留最小加固厚度5m。地層力學(xué)參數(shù)及掌子面前方核心土體加固的力

學(xué)參數(shù)見表1。     

3 隧道變形空間特征 在初始地應(yīng)力場的條件下地層處于穩(wěn)定平衡狀態(tài),由于隧道施工導(dǎo)致地層缺失而引起地層位移,在地表主要表現(xiàn)為地面開裂、地面沉降和沉陷槽,在隧道周圍主要表現(xiàn)為隧道收斂變形、預(yù)收斂變形和掌子面擠壓變形,如圖3所示隧道收斂變形是隧道開挖釋放了地應(yīng)力使隧道開挖輪廓向隧道內(nèi)發(fā)展

的結(jié)果,其主要表現(xiàn)形式有:拱頂沉降、仰拱底鼓和拱腰水平收斂。圖4~圖6是模擬隧道施工到25 m處隧道收斂變形的空間分布。隧道預(yù)收斂變形是隧道開挖掌子面前方的隧道開挖理論輪廓的收斂變形。從圖4~圖6可知,拱頂預(yù)收斂變形主要在掌子面前方7 m范圍內(nèi),仰拱收斂變形主要在掌子面前方5 m范圍內(nèi),拱腰

的收斂變形相對很小。掌子面擠壓變形是由于掌子面后方土體開挖形成了臨空面,釋放了掌子面土體原有的水平地應(yīng)力,從而使掌子面及前方土體發(fā)生沿隧道縱向的水平位移。圖7、圖8反映了模擬隧道縱向25m處掌子面的擠壓變形情況,表明整個施工掌子面都產(chǎn)生了一定的擠壓變形,從擠壓變形在掌子面內(nèi)分布看,

在水平方向擠壓變形是以隧道中線為對稱軸,呈拋物線形;在豎直方向擠壓變形不具有拋物線形,最大值出現(xiàn)在臨近隧道底部。通過對比隧道掌子面內(nèi)外土體的擠壓變形,表明擠壓變形主要發(fā)生在掌子面內(nèi)。圖9是模擬隧道縱向15 m處掌子面以及其前方核心土體的擠壓變形的分布,可知擠壓變形主要發(fā)生在掌子面前方

4 m核心土體內(nèi)。

 4 掌子面的穩(wěn)定性與地層位移 從圖7~圖9可見,隧道施工掌子面前方核心土體加固,提高了核心土體的剛度,從而極大地減小了掌子面及其前方核心土體的擠壓變形。表2是隧道縱向25 m處前方核心土體在加固與不加固的情況下,隧道變形和地表沉降量的對比,表明前方核心土體剛度增大能夠減小隧道的預(yù)收斂變形,也能減小隧道拱頂沉降量,但是隧道仰拱底鼓位移增大,這與仰拱施加時間有關(guān)系。  圖10、圖11顯示了掌子面前方核心土體加固效果與隧道周圍塑

 性區(qū)發(fā)育的對比,表明在掌子面前方核心土體在沒有加固的條件下隧道全斷面施工導(dǎo)致掌子面的不穩(wěn)定,這種不

穩(wěn)定增加了隧道變形和地層位移,而施工掌子面前方核心土體的加固有利于保持掌子面的穩(wěn)定,減小隧道收斂變形和地層位移,也可以簡化隧道施工方法,如隧道臺階法開挖轉(zhuǎn)變?yōu)槿珨嗝骈_挖。

  5結(jié)論 　

 (1)隧道施工引起地層位移響應(yīng)是一個空間體系,隧道變形可分為收斂變形、預(yù)收斂變形和掌子面擠壓變形。收斂變形一部分是由掌子面前方核心土體變形所引起的,因此,調(diào)控掌子面前方核心土體的剛度能夠減小收斂變形。

 (2)核心土體的變形主要表現(xiàn)為隧道預(yù)收斂變形、掌子面及核心土體內(nèi)部的擠壓變形。控制核心土體變形也就控制了隧道施工掌子面的穩(wěn)定性,從而減小了隧道收斂變形和地層位移。 

(3)由意大利Lunardi等工程師提出并發(fā)展的巖土控制變形工法(ADECO-RS)是以隧道施工掌子面及其前方核心土體作為穩(wěn)定工具,認為核心土體的變形是隧道整個變形過程的真正誘因[1], [2]。但數(shù)值模擬的結(jié)果顯示了核心土體的變形并不是隧道整個變形過程的唯一誘因,即控制核心土體的擠壓變形和隧道預(yù)收斂變

形,并不能從根本上控制隧道的收斂變形。隧道收斂變形的真正原因是隧道開挖輪廓面地應(yīng)力的釋放,如何使應(yīng)力“拱效應(yīng)”均勻分布在隧道周圍,才是控制隧道收斂變形的正確有效途徑。