大斷面黃土隧道雙側壁導坑法施工誘發地表沉降及隧道變形規律研究

任建喜 王 麗 王 江 王東星 劉東洋 劉康輝 程 遠

(西安科技大學建筑與土木工程學院,710054,西安∥第一作者,教授)

大斷面黃土隧道雙側壁導坑法施工誘發地表沉降及隧道變形規律研究

任建喜 王 麗 王 江 王東星 劉東洋 劉康輝 程 遠

(西安科技大學建筑與土木工程學院,710054,西安∥第一作者,教授)

以西安地鐵3號線某區間雙側壁導坑法隧道工程為依托,采用FLAC3D模擬與現場實測相結合的方式,研究雙側壁導坑法施工引起的地表及隧道變形規律。研究結果表明:地表橫向沉降曲線關于隧道中軸線對稱分布,影響范圍左右各30 m，可見，上導洞的開挖是造成地表沉降的主要原因；采用超前小導管注漿加固土體,有效控制了拱頂下沉；隧道開挖后兩幫收斂值迅速增大,開挖面超前監測斷面20 m時收斂趨于穩定；模擬結果與實測數據吻合較好,說明FLAC3D數值模擬軟件能有效預測地層變形。

大斷面黃土隧道; 雙側壁導坑法; 地表沉降; 變形規律; 數值模擬

地鐵隧道淺埋暗挖法施工時將不可避免的擾動原土體,造成圍巖變形和地表沉降[1-2]。城市建筑物密集,嚴格控制隧道開挖造成的地表沉降等具有重要意義[3～4]。西安地處黃土地區,地鐵3號線某區間為滿足停車線等要求,其凈空斷面面積為69.7 m2,屬大斷面隧道。國內學者對黃土地區隧道開挖引起的地層變形規律進行了一系列的研究,取得了一定的成果。文獻[5]采用數值模擬的方法研究了淺埋暗挖法地鐵隧道施工引起的地層空間變位;文獻[6]采用現場實測的方式研究了黃土隧道開挖引起的地表下沉和圍巖變形;文獻[7]研究了黃土隧道開挖對周圍土體變形的影響;文獻[8]研究了大斷面公路隧道雙側壁導坑法的優缺點及其施工要點。

上述研究為隧道淺埋暗挖法施工提供了一定的參考,但由于各地區地質情況差異較大,且在黃土地區雙側壁導坑法應用較少,因此有必要進行相關研究。以西安地鐵3號線某區間為工程依托,采用FLAC3D數值模擬與現場實測相結合的方式,研究黃土地區地鐵隧道采用雙側壁導坑法施工引起的地表沉降和隧道變形規律。

1 工程背景

1.1 工程概況

西安地鐵3號線胡家廟站—石家街站區間暗挖段位于西安市金華北路地下,其沿線管線眾多,人流車流密集,且線路穿越f3、f朝陽門地裂縫。為了滿足停車線等工程要求,隧道斷面尺寸較大。這在一定程度上增加了施工難度。為確保工程安全施工,研究決定胡家廟站—石家街站K31+929.298—K32+086.196區間左線采用雙側壁導坑法施工,并采用超前大管棚和小導管注漿加固土體。隧道埋深為7.5～10.5 m,其地質情況復雜,工序繁雜,施工難度較大。建成后可在一定程度上緩解城市交通壓力。

1.2 工程地質條件

胡家廟站—石家街站區間場地地面高差較大,除東二環下隧道段以外,勘探點地面高程介于400.36～408.13 m。該區間由南向北依次跨越槐芽嶺黃土梁、蓮花池洼地、勞動公園黃土梁及八府莊洼地地貌單元。場地內50 m深度內地層為:地表分布有厚薄不均的全新統人工填土;其下為上更新統風積新黃土及殘積古土壤,再下為中更新統風積老黃土,再下為沖積粉質黏土、粉土、細砂、中砂及粗砂等。具體各地基土物理力學性質見表1。地下潛水穩定水位埋深5.20～14.00 m之間,相應高程為392.24～397.33 m。地下水主要接受大氣降水及側向地下水徑流補給,潛水排泄方式主要為側向徑流排泄。

表1 地層物理力學參數

1.3 雙側壁導坑法施工方案

研究區間隧道采用雙側壁導坑法施工,開挖寬12.63 m,高11.085 m。采用拱部φ108×6 mm大管棚,環向間距400 mm,沿拱部周邊180°打設,超前小導管為φ 42.0 mm×3.5 mm進行超前支護,隔兩榀打設一環,環間距為0.40 m。初期襯砌鋼筋網為150 mm×150 mm,直徑為8 mm,C25噴射早強混凝土的厚度為0.35 m,格柵鋼拱架采用HPB 300,間距為0.5 m。開挖施工時，全斷面分6部分依次開挖并進行支護(詳見圖1)。開挖步驟為：①1#導洞拱部超前小導管注漿施作,開挖后及時施作初期支護;②待1#導洞進尺5 m后進行2#導洞開挖,并保持5 m錯距;③待1#導洞進尺15 m后進行3#導洞拱部超前小導管注漿施工,開挖后及時施作初期支護;④待3#導洞進尺5 m后進行4#導洞開挖并保持5 m錯距;⑤待3#導洞進尺15 m后進行5#導洞拱部超前小導管施工,開挖后及時施作初期支護;⑥待5#導洞進尺5 m后進行6#導洞開挖,并保持5 m錯距。施工中應及時施作鎖角錨桿,盡早封閉成環,加強監測,并將監測結果反饋于施工。

圖1 隧道結構斷面示意圖

2 隧道施工動態數值模擬

2.1 模型的建立

雙側壁導坑法的6步開挖對導洞開挖順序要求較高,且施工工藝繁雜。為了更準確地模擬實際開挖支護順序,本次研究建立三維模型來模擬動態施工過程,計算開挖順序與實際開挖順序保持一致。隧道實際埋深為7.5～10.5 m,屬淺埋暗挖隧道。結合所研究區段取平均值,本次模擬隧道埋深取8.2 m?？紤]到隧道直徑和開挖影響的范圍,所建模型尺寸為97 m×51 m×60 m,共42 200個節點,38 784個單元。采用以實體單元提高強度參數的方法來模擬超前小導管注漿,以起到超前加固土體的作用。重點分析雙側壁導坑法施工引起的地表沉降和隧道變形,故本次模擬不考慮地裂縫對研究的影響。所建模型如圖2所示,地層參數見表1,支護參數見表2。

圖2 數值模擬計算模型

表2 支護結構參數

2.2 計算模型監測點布設

為了與實測數據進行對比,模擬計算監測點布置如圖3及圖4所示。其中，洞內變形測點與地表橫向沉降測點位于同一斷面,地表橫向沉降監測斷面距離洞口分別為20 m及30 m,地表縱向沉降測點位于各導洞拱頂上方地表。

圖3 隧道變形測點布置示意圖

圖4 地表沉降測點布置示意圖

3 模擬結果及分析

計算完成后模型Z方向(垂直方向)位移云圖如圖5所示。由圖5可知,隧道開挖后一定范圍內的土體出現了下沉,呈“漏斗”狀。越靠近中軸線，地表沉降量就越大。拱頂最大沉降為25 mm左右,可滿足工程安全需求。下部土體有向上隆起的趨勢。為了描述隧道動態開挖過程,令每個導洞開挖5 m為1個開挖步。

圖5 開挖完成后模型Z方向位移云圖

3.1 地表沉降分析

各導洞開挖后地表橫向沉降曲線如圖6所示,斷面距洞口20 m。由圖6可知,1#導洞開挖導致的地表最大沉降為7.5 mm,且沉降區域于導洞中軸線兩側對稱分布。隨著2#導洞的開挖,最大沉降量增至9.3 mm,僅增大了1.8 mm。由此可知,下部導洞的開挖對地表沉降影響較小,上導洞開挖是造成地表沉降的主要原因。3#導洞開挖完成后,地表沉降量增大至14 mm,且橫向影響范圍向右側擴大。因此，在進行3#導洞開挖時應加強監測并及時反饋于施工。5#導洞開挖后,沉降量進一步增大,且最大沉降量為19 mm,出現在隧道中軸線位置。6#導洞的開挖并未對地表沉降產生較大的影響。這進一步說明,下導洞開挖對地表沉降影響較小,上導洞開挖才是造成地表沉降的主要原因。

地表縱向沉降隨開挖步變化曲線如圖7所示。由圖7可知,由于1#導洞最先開挖,因此開挖初期1#導洞上部的地表沉降量大于其他導洞上部地表沉降量。當開挖步為6時,5#導洞開始開挖。但此時對應地表已下沉6.3 mm。這說明兩側導洞開挖已造成中間導洞地表出現較大沉降。當掌子面通過監測斷面時,地表沉降量快速增大。受兩側導洞開挖影響,5#導洞對應地表沉降量略大于其他位置沉降值。當開挖步為15時,即5#導洞開挖面超前監測斷面25 m時,地表沉降曲線趨于穩定。這說明此后隧道的開挖對監測斷面位置基本無影響。

圖6 各導洞開挖地表橫向沉降曲線

圖7 地表沉降隨開挖步變化曲線

3.2 拱頂沉降分析

各導洞拱頂沉曲線如圖8所示,監測斷面距洞口20 m。由圖8可知,監測初期,受隧道開挖影響,土體原應力狀態被破壞,拱頂沉降迅速增大,隨著掌子面的不斷推進,沉降值不斷增大。當掌子面距監測斷面15 m左右時，沉降速率減??；當掌子面距監測斷面25 m時，沉降曲線趨于穩定；此后，掌子面的開挖對監測位置沉降影響很小,沉降值保持不變。此外,由于兩側導洞開挖會導致中間導洞沉降增大,因此5#導洞拱頂沉降量略大于其他導洞拱頂沉降量,最大拱頂沉降量為22.3 mm,滿足施工安全需求。

圖8 各導洞拱頂沉降曲線

3.3 兩幫收斂分析

各導洞兩幫收斂變化曲線如圖9所示,監測斷面距洞口20 m。由圖9可知,監測初期,各導洞收斂值迅速增大,當掌子面距監測斷面20 m時，收斂曲線趨于穩定,后續掌子面的開挖對監測斷面位置收斂影響很小。各導洞按最終收斂值由大至小排序為1#導洞、2#導洞、3#導洞、4#導洞?？梢?，開挖越早,收斂值越大。原因在于,已開挖并完成支護的導洞,其支護結構在一定程度上阻止了周圍土體的變形,因此，后開挖導洞的收斂值小于較早開挖的導洞。因此,在1#導洞開挖時應加強收斂變形監測,確保其滿足工程安全需求。

圖9 各導洞收斂變化曲線

4 現場實測分析

4.1 監測方案的選取

“勤測量”是淺埋暗挖法施工時必不可少的環節,也是事故預報的關鍵。本次施工中地表測點采用φ108的鉆機將地面硬化層或路面鉆透,隨即打入作為監測點的鋼筋,且使鋼筋低于路面5～10 cm,使鋼筋與土體結為整體。拱頂測點是將φ10 mm圓鋼加工成三角鉤后焊到安裝好的格柵上而成。格柵初噴后將測點用油漆做好標記,采用水準儀進行監測。收斂測點與拱頂沉降測點應布置在同一斷面,且在埋設時盡量保持水平,將φ6.5圓鋼彎成邊長為10 cm的三角形;然后,將一條邊雙面焊接于長約25 cm的φ22螺紋鋼上；最后，將測點焊到安裝好的格柵上，并做好標記。各測點布設細目如表3所示。

表3 各測點布置細目

4.2 實測結果分析

4.2.1 地表沉降

實測地表沉降曲線如圖10所示。由圖10可知,隨著隧道的開挖,地表沉降呈現緩慢增長的趨勢。由于1#導洞開挖略早于3#導洞,因此3#導洞地表沉降滯后于1#導洞,但其變化趨勢基本一致。監測到60 d時開挖面已超前監測斷面25 m。此時,地表沉降已趨于穩定。

4.2.2 拱頂沉降

實測拱頂沉降曲線如圖11所示。由圖11可知,在監測初期,各導洞拱頂沉降迅速增大,一方面由于導洞開挖圍巖應力需重新分布,另一方面初期支護未達到設計強度;故拱頂短期內迅速下沉,但其沉降值均小于警戒值。當掌子面距離監測斷面25 m時,拱頂沉降逐漸趨于穩定,說明初期支護能有效起到約束圍巖變形的作用。

4.2.3 兩幫收斂

實測洞內收斂變化曲線如圖12所示。由圖12可知,監測初期各導洞兩幫收斂值迅速增大,且最大收斂值達到了22 mm。當掌子面超前監測斷面約20 m時，收斂值已趨于穩定,后續開挖對該處收斂影響很小。

圖11 實測拱頂沉降變化曲線

圖12 實測洞內收斂變化曲線

結合地表沉降、拱頂沉降和收斂曲線可知,三者變化趨勢基本一致,隧道開挖一段時間后都趨于穩定,拱頂沉降量大于地表沉降。實測值與模擬值基本吻合,說明FLAC3D數值模擬軟件能較好地進行隧道變形預測。在模擬過程中還需考慮實際施工順序和超前注漿加固措施對結果的影響。

5 結語

(1) 由模擬結果可知,采用雙側壁導坑法施工時,地表橫向沉降曲線關于隧道中軸線對稱分布,影響左右各30 m范圍(約為2.5倍隧道洞徑)。上導洞開挖是造成地表沉降的主要原因。3#導洞開挖后地表沉降量及沉降范圍明顯增大,故建議3#導洞開挖時加強地表沉降監測。

(2) 隧道開挖后短期內拱頂下沉量迅速增大,當掌子面超前監測斷面25 m時，拱頂沉降趨于穩定。拱頂最大沉降量為23 mm,模擬值與實測值均小于警戒值。這說明采用超前大管棚和小導管注漿技術可在施工中確保鋼拱架連接緊密,能有效控制拱頂沉降,確保圍巖變形滿足工程要求。

(3) 模擬和實測結果表明,導洞開挖后兩幫收斂值短期內迅速增大。掌子面超前監測斷面20 m左右時，收斂趨于穩定。各導洞按收斂值由大到小排序為1#導洞、2#導洞、3#導洞、4#導洞,因此應加強1#導洞收斂監測。

(4) 對比模擬與實測結果可知,采用雙側壁導坑法施工能有效控制地表沉降和隧道變形,確保工程順利進行。模擬結果與實測數據吻合較好,說明數值模擬能有效預測地層變形。研究結果可為黃土地區類似工程施工提供參考。

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[2] 李棟,何興玲,覃樂,等.特大跨超淺埋地鐵隧道下穿天橋過程穩定性控制[J].巖石力學與工程學報,2013(S2):3636-3642.

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Settlement Laws of Ground and Tunnel Deformation Induced by Construction of Large Section Two-side Wall Drift Heading Method Tunnel in Loess Region

REN Jianxi, WANG Li, WANG Jiang, WANG Dongxing, LIU Dongyang, LIU Kanghui, CHENG Yuan

Based on two-side wall drift heading method tunnel construction in Xi’an metro Line 3 project, the settlement laws of ground face and tunnel deformation induced by construction in loess region are studied by using FLAC3D numerical simulation and field measurement. The research shows that the curves of the surface crosswise settlement are symmetrical around the axis of the tunnel, the sphere of influence is 30 m on each side.The main reason of the surface subsidence is considered as the excavation of the upper pilot tunnel, and it is effective to control the vault settlement by using advanced small pipe grouting soil. The convergence value of pilot tunnel grows rapidly after the excavation of the tunnel, but tends to stabilize when the tunnel face advancing leads the monitoring section 20 meters.Numerical simulation results are consistent with the measured data, it is clear that the FLAC3D numerical simulation software can predict ground deformation.

large section tunnel in loess region; two-side wall drift heading method; ground surface settlement; deformation law; numerical simulation

School of Energy, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an,710054,China

TU 433; U 455.41+1

10.16037/j.1007-869x.2017.03.005

2016-03-28)