大跨隧道拱蓋法施工地層沉降分析

杜子建

(青島地鐵集團有限公司，山東青島 266071)

大跨隧道拱蓋法施工地層沉降分析

杜子建

(青島地鐵集團有限公司，山東青島 266071)

針對“上軟下硬”地層中大跨隧道拱蓋法施工的地層沉降問題，選取某地鐵車站的典型剖面，建立二維分步開挖模型，通過分步開挖全過程的數值分析，得到拱蓋法不同施工步序下的沉降值，推斷控制重要環節為中導洞開挖、拆撐和拱蓋施作、側導洞開挖。對重要工序下地表沉降監測值進行對比分析，進一步對各階段沉降比重進行驗證，并分析兩者發生偏差的原因并提出相應對策。

大跨隧道;數值分析;拱蓋法;地層沉降

山東省青島市地處膠東半島西南部，地基多為燕山晚期巖漿巖類硬質巖石，后期由于風化作用，在花崗巖上部形成了一定厚度的風化帶，其上部還沉積有厚度不均的第四紀松散堆積物，是典型的“上軟下硬”地質類型。青島地鐵許多暗挖車站就位于這種“上軟下硬”的地層中，即上部地層為松散土及強風化巖，下部地層為中～微風化巖層，硬巖面埋深13～20 m。在此種地層中開挖大跨隧道，由于要采用爆破作為主要開挖手段，采用常規的CRD法和PBA法均具有一定的局限性［1－8］。

拱蓋法作為一種無柱單拱大跨斷面的開挖方法，是基于地鐵車站蓋挖法和扣拱法兩種工藝的結合，能較好地針對青島地區地層“上軟下硬”的地質特點，首先強支護開挖上拱，將邊墻置于堅硬中～微風化花崗巖層中，充分利用硬巖層對拱體的支撐作用，既節約了成本，在大拱蓋形成以后，還能在洞內進行下部巖體的大型機械和大面積開挖作業，加快了進度，是“上軟下硬”地層中開挖的適宜性工法［9］。拱蓋法施工涉及到多步工序，每道工序都會對地層產生一定擾動并造成地層沉降。目前的施工沉降分析和控制指標中，往往只提出了最終沉降量控制指標，對每道工序引起的沉降量并沒有明確提出控制要求，也沒有相應的預警值，造成了施工過程每個步序中沉降控制的隨意性和盲目性［10－12］。所以，對大跨隧道拱蓋法施工這個動態并逐步累積的沉降過程進行分析，并將總沉降控制量按不同工序的重要性賦予每個階段，是目前大跨隧道工程中值得探討的問題。

1 工程概況

青島地鐵某車站全長176.9 m，為地下兩層暗挖結構島式車站，拱頂覆土厚度為10～12m，采用單拱直墻拱蓋法開挖，開挖跨度19.2m，高度16.2m，車站平面布置見圖1。站址范圍內上部土層為第①層人工填土、沖洪積層，第○11層粉質黏土、第○12層含砂黏性土，無軟土和砂層分布，下伏基巖為燕山晚期花崗巖，強風化下亞帶巖面埋藏深度變化不大，風化厚度為1.00～7.20m，平均層厚為3.7m，車站單拱拱角基本位于中風化巖層中，車站底板全部位于微風化花崗巖層上。車站地層富水性一般，透水性較差，主要為松散層孔隙水和基巖裂隙水，地下水位埋深為4.8～13.6m。車站平面見圖1，車站典型地質縱剖面如圖2所示。

圖1 車站平面

圖2 車站地質縱剖面

車站采用的支護形式為:掌子面拱部超前打設3.5 m長φ42mm注漿小導管，開挖后拱部垂直打設φ25mm中空注漿錨桿，側墻垂直打設4.0m長φ25mm砂漿錨桿，支撐采用75 cm間距鋼格柵，雙層φ8mm鋼筋網，30 cm厚噴射混凝土，側壁臨時支護采用型鋼支撐，噴射混凝土;二次襯砌結構采用45 cm厚澆筑鋼筋混凝土。施工過程中未降水，采取了嚴堵水的方案，并結合一定的超前鋼花管引排水措施，保證局部滲漏嚴重工作面的穩定。開挖支護方案如圖3所示。

車站主體位于市主干道下方，車站范圍內與2條支路交匯，交通流量大，并有市政管線從路下方通過，周邊無高大建筑物。根據隧道覆跨比較小和周邊環境等特點，并綜合考慮了隧道結構本身的穩定，以及上方市政管線的安全和道路車輛的正常通行等多方因素，經審定制定地面變形和沉降總控制標準為:地表總沉降量控制在45 mm以內，地面隆起量控制在20 mm以內。

圖3 車站拱蓋法施工支護方案(單位:mm)

2 開挖模擬分析

分析模型寬度選擇為5倍車站寬度，高度選擇為2.5倍車站高度，即為96m×40.5m，左右邊界距隧道邊界為2倍洞徑，下邊界距隧道底為1倍洞徑，以保證模型邊界約束不影響車站隧道的開挖計算，邊界采用位移進行約束。初支方案中對車站拱部設置有超前注漿小導管和中空注漿錨管等多種措施，計算中對加固區的巖體力學參數進行了等效處理。根據相關地質勘察報告和經驗計算，巖土體及加固區的工程力學參數見表1。

表1 巖土體工程力學參數

車站拱蓋法施工步序為:(1)施作一側導洞并支護;(2)施作另一側導洞并支護;(3)施作中導洞并支護;(4)施作縱托梁;(5)拆除臨時中支撐并施作拱蓋結構;(6)放坡開挖下部硬質巖體并支護;(7)完全開挖下部巖體;(8)完成整體二襯施作。采用MIDAS/GTS建立分步開挖模型，依據修正摩爾－庫倫本構模型得到開挖工序下跨中地表觀測點的累計沉降值及分步沉降占比，見表2。圖4為模型在不同工序下的沉降分析云圖。

圖4 分步開挖模型分析位移云圖

表2 跨中地表沉降分析

從表2中可以看出，跨中地表沉降在中導洞開挖時沉降占比最大，為31.8%;施作拱蓋結構時臨時支撐的拆除引起沉降值其次，為28.1%;左右側導洞開挖時造成跨中地表沉降值合計8.3 mm，合計占比為22.1%，此時側洞正上方地表沉降值最大達到了11.3 mm。通過數值計算，說明在施工環節中，中導洞的開挖、拆撐和拱蓋施作、側導洞的開挖均為重要工序。在實際施工中，需要在以上工序上嚴格要求，加強施工組織，落實施工方案，對不良地質情況及時預警，并需針對性采取加強技術措施。

3 沉降監測及對比分析

結合施工現場和路面交通情況，選取里程K3+741.1的橫斷面監測數據進行分析，由于路面監測點位受到車況及其他情況的限制，每點布設間距取5m，共布設7點，得到的橫斷面地表沉降監測變化時距曲線見圖5，最終地表沉降槽曲線見圖6。

圖5 地表沉降監測點累計變化時距曲線

圖6 地表沉降槽曲線示意

從監測圖中可以看出，在隧道開挖過程中，地表最大沉降點隨著不同導洞的開挖而不同，在左右導洞開挖時最大沉降點交替出現在左右導洞上方，在中導洞開挖時最大沉降點逐步轉變為中導洞正上方，最終地表沉降最大點出現于隧體中線上方，與模型分析基本一致，且監測同樣反映出沉降速率較大的時段正好對應于導洞的開挖以及拆撐施作拱蓋等關鍵工序，在各工序的重復擾動下，地表沉降曲線較多呈現階梯下降形態。根據不同時期的監測值發現，在中導洞開挖過程中，車站主體上方的沉降點出現了較大速率的下降，且持續時間較長，同時主體邊界外的地表沉降點均出現了不同幅度長時間的沉降，說明中導洞開挖對車站上方的地層擾動較大，引起了較大范圍的地層沉降;在拱蓋施作和開挖下斷面過程中，車站正上方地表沉降受到較大影響，但偏離隧道主體以外的地表沉降速率已明顯變緩，表明此階段隧體邊界外地層受到的影響較小。

累計沉降最大值監測點在不同步序下的沉降值及其量值占比關系見表3。從表中對應得到，中導洞開挖引起的沉降值最大，占總沉降量百分比為52.6%;其次為拱蓋施作及拆撐過程引起的沉降值，占總沉降量百分比為16.1%;另外，左右側上導洞的開挖累計造成的沉降值也較大，總占比為25.2%。

對比分析各階段模型計算結果可以得到，兩者分析得到關鍵工序重要程度基本一致，但施工監測得到的中導洞開挖造成沉降值偏大，拆撐做拱階段沉降貢獻值相對較小，最終跨中地表累計沉降值較模擬值偏大。分析原因，可能在于數值計算是基于各施工工序無縫銜接的理想狀態，而實際施工過程中，由于機械設備人員以及施工組織等不確定原因造成了支護時間的不及時以及工序轉換時支護及時性和有效性的降低，引起了不可計算的沉降值。另外，施工過程中，針對模擬分析中拆撐做拱階段沉降值較大的情況，各有關方面及時對原設計進行了一定調整，采取了“以錨代撐”的技術，即拆撐之前在鋼格柵連接處打設脹殼式錨桿，施加一定預應力以取代一部分支撐作用力，實踐證明效果較好，并最終將累計沉降值控制在指標范圍內。綜合分析，在多導洞開挖的大跨隧道中，合理優化導洞的開挖順序及開挖錯距，有效組織各工序的無縫銜接，并及時對暴露工作面進行支護和封閉，并針對重要環節及時采取加強措施，是減少地層沉降的有效手段。通過數值模擬分析，可以得到圍巖開挖擾動下地表沉降的一定規律，對于區分較重要的施作工序具有一定指導意義。在實際施工中，還需根據監測結果將不同階段的沉降值重新反饋到計算模型中，及時修正階段結果，并進行一定的反演計算來指導后續施工［13］。

表3 分步沉降監測值

4 結論

本文主要探討了地鐵車站拱蓋法施工不同工序下的地表沉降值，對不同工序的沉降影響重要性進行綜合判斷，并比較理論計算與實際監測值共性與差異性，得出如下結論。

(1)大跨隧道暗挖施工涉及到多步序、多環節的銜接與轉換，工序較為復雜，特別是城市地鐵車站的開挖，施工風險較高，嚴格控制地層及地面沉降尤為重要。

(2)拱蓋法工藝能較好適用在“上軟下硬”地層中的大跨隧道開挖施工，針對不同工序下地表沉降值的模擬和監測分析，及時對關鍵工序進行確認并采取針對性措施，能有效實現總沉降控制目標。

(3)拱蓋法施工工序中，中導洞開挖和拆除上部導洞臨時中隔墻均為關鍵工序，施工中應嚴格控制開挖進尺，及時封閉成環，并盡量合理安排二襯施工時的每倉長度，以控制破除臨時中隔墻范圍。另外，及時根據監測值重新反演計算模型，并針對重要施工環節采取一定加強措施，可有效減小施工中的地層沉降。

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Analysis on Ground Settlement during Construction of Large-span Tunnelw ith Arch Cover M ethod

DU Zi-jian

(Qingdao Metro Group Co．，Ltd．，Qingdao 266071，China)

Focusing on the problem of ground settlement during construction of large-span tunnel by arch covermethod in the strata where the upper rock soil is soft and the lower rock soil is rigid，the paper established a two-dimensionalmodel of multi-step excavation of the typical sections of a certain metro station．And then，by means of numerical analysis on the whole process of multi-step excavation，the settlement values with arch cover method under several construction procedures were obtained．On this basis，the paper suggested that the key procedures which should be under control were the excavation of middle pilot heading，the removal of temporary support，the erection of arch cover，and the excavation of lateral pilotheading．Furthermore，comparative analysis on ground settlement of key procedureswasmade in this paper，and the settlement proportion of every procedure was verified further．After analyzing the probable reason for the difference between monitoring value and simulation value，the corresponding countermeasureswere proposed．

large-span tunnel;numerical analysis;arch covermethod;ground settlement

U455

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．026

1004－2954(2014)03－0110－04

2013－05－18;

2013－07－25

杜子建(1983—)，男，工程師，工學博士，E-mail:duzj1127@126．com。