淺埋暗挖施工對地表影響探究

劉靜，田曉艷，何秀貞

（1.西安石油大學機械工程學院，陜西　西安　710065；2.山東壽光第一建筑有限公司，山東　壽光　262700）

淺埋暗挖施工對地表影響探究

劉靜1，田曉艷1，何秀貞2

（1.西安石油大學機械工程學院，陜西西安710065；2.山東壽光第一建筑有限公司，山東壽光262700）

地鐵施工過程中最大的環(huán)境問題就是地表沉降，過大的沉降對周邊環(huán)境造成極大的威脅。文章以西安地鐵3號線延興門站～咸寧路站區(qū)間淺埋暗挖段為依托，首先通過FLAC3D對不同的施工方法引起的地表變形進行數(shù)值模擬，通過比較研究得出該區(qū)段合理的施工方案，然后針對該施工方案引起的地表沉降進行現(xiàn)場監(jiān)測，通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，既驗證了數(shù)值模擬的可行性，又總結(jié)得出隧道開挖過程影響地表沉降變形的特征和規(guī)律。

淺埋暗挖；數(shù)值模擬；地表沉降；現(xiàn)場監(jiān)測

1　概述

隨著城市化進程的飛快發(fā)展，城市人口高度集中，交通工具密集［1］，為緩解地面交通壓力，近年來許多國家大中城市紛紛興起了大規(guī)模建造地鐵和輕軌的熱潮，開發(fā)地下空間。地下工程施工會引起地層出現(xiàn)不同程度的沉降，由于施工技術(shù)及周圍環(huán)境和巖土介質(zhì)的復雜性，即使采用最先進的施工方法，其施工引起的地層移動也是不可能完全消除的，所以地表沉降一直是城市地鐵隧道開挖過程中較為關(guān)注的問題［2］。針對該問題國內(nèi)外的大量學者都進行過相關(guān)研究，最具代表性的是Rathe Peck早在1969年［3］提出的橫向沉降槽經(jīng)驗公式，且已在中國隧道工程中得到廣泛應(yīng)用［4-7］，國內(nèi)關(guān)寶樹等［8］亦對淺埋暗挖隧道開挖過程中縱向沉降的規(guī)律進行了研究。隨著計算機方法的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬［9］、人工智能預測［10］等己在該領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)在深圳、北京等地的地鐵建設(shè)過程中，工程人員和學者們都針對當?shù)氐牡刭|(zhì)對地表沉降進行了廣泛的研究［11］，為后續(xù)的施工提供了寶貴的經(jīng)驗［12-13］。但由于各地土質(zhì)的具體性和復雜性，各地的沉降規(guī)律亦有差異，本文研究具有黃土特性的西安城市，首先采用FLAC3D對各種不同的淺埋暗挖法引起的地表沉降進行數(shù)值模擬，綜合考慮各種因素，得出合理的施工方案，然后對其進行跟蹤監(jiān)測，獲得了可靠的動態(tài)實測數(shù)據(jù)，研究隧道開挖過程中地表變形的規(guī)律，分析產(chǎn)生沉降的原因及建議采取有效措施，進而為類似土程施土減小對周邊環(huán)境的影響提供借鑒。

2　工程概況

西安地鐵3號線延興門站～咸寧路站區(qū)間沿金花南路地下布設(shè)，區(qū)間隧道采用馬蹄型斷面，起訖里程為Z（Y）DK28+089.638～Z（Y）DK28+633.229，左線長544.917m，右線長543.591m，金花南路為南北向交通干道，地面車流及人流密集，道路兩旁管線林立。

3　施工開挖方案的優(yōu)選

采用FLAC3D軟件對該段區(qū)域雙線隧道進行數(shù)值模擬，模擬了淺埋暗挖法4種不同工況對地表沉降的影響，結(jié)果如圖1、2所示。

圖1　隧道開挖引起的地層豎向位移云圖

圖2　四種工法施工引起的地表沉降曲線圖

結(jié)果表明：開挖后隧道上方土體沉降大致呈對稱分布，地表最大沉降值發(fā)生在兩隧道洞室的頂部，左線洞室上方沉降略大，所以在實際施工過程中應(yīng)時刻監(jiān)控其變化，且開挖后及時施做支撐，防止其頂部變形過大從而影響工程的正常施工。4種工法中上下臺階法引起的地表沉降最大，環(huán)形開挖預留核心土法次之，CRD工法引起的地表沉降較小，雙側(cè)壁導坑法最小。雖然CRD和雙側(cè)壁導坑法引起的沉降小，但施工工藝復雜且成本較高，所以本區(qū)段工程綜合考慮各種因素，最終采用環(huán)形開挖預留核心土法施工（圖3所示），開挖施工工序：超前小導管預注漿→拱部環(huán)形開挖→拱部環(huán)形初期支護→核心土開挖（必要時施工臨時仰拱）→開挖下臺階→下臺階初期支護→拆除臨時仰拱→二次襯砌，圖中1、2、3、4為開挖順序，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ為支護順序。

圖3　環(huán)形臺階留核心土法施工工序

4　地表沉降監(jiān)測與分析

地表沉降觀測點的埋設(shè)可采用深層沉降點和淺層沉降點。由于該地鐵隧道區(qū)間位于交通特別繁忙地段，且不允許進行鉆孔，可采用道路淺層設(shè)點的方法。由于本次初次測量時隧道左線施工已經(jīng)滯后于隧道右線100多米，所以此次分析僅考慮隧道左線開挖對地表沉降的影響。

4.1縱向地表沉降分析

選擇測點L2-1、L4-2、L6-3、L8-2進行分析，隧道左線單洞開挖過程中洞頂?shù)孛娉两惦S掌子面的變化曲線如圖4所示。

圖4　沉降隨掌子面距離變化圖

由圖4知，隧道開挖引起的監(jiān)測點沉降大致可分為如下四個階段。

①超前微小下沉階段

當工作面開挖到距測點距離相差-3D～1D時，地鐵開挖即對地表產(chǎn)生影響，沉降量約占總沉降量的5%～15%。

②急劇變形階段

當隧道工作面在1D～3D范圍內(nèi)時，地表變形快速增長，該段沉降量約占總沉降量的55%～65%，速度的最大點在開挖工作面附近。

③緩慢變形階段

當隧道工作面在3D～5D范圍時，變形速率減緩，該段沉降量約占總沉降量的15%～20%。

④穩(wěn)定變形階段

當隧道工作面超過5D后，沉降增長緩慢，增長速度變小，但沉降變化不大，趨于穩(wěn)定。該段沉降量約占總沉降量的5%。

4.2橫向地表沉降分析

為便于分析，該區(qū)段研究了斷面ZDK28+172.425等6個斷面，由于各監(jiān)測斷面隨隧道掌子面的開挖沉降發(fā)展趨勢變化一致，故選取ZDK28+172.425斷面進行具體分析，如圖5所示。

圖5　斷面ZDK28+172.425地表沉降曲線隨時間變化圖

由圖5知，隧道開挖初期幾天，左線隧道開挖掌子面離隧道較遠，其沉降變化較小，7月14號時左線隧道開挖至該斷面下方，地表出現(xiàn)較大沉降。隨著開挖掌子面的進一步推進，地表沉降變化發(fā)展迅速，至8月25日，右線掌子面遠離該斷面，地表沉降變形趨于穩(wěn)定。從沉降曲線的輪廓來看，基本接近于正態(tài)分布，基本符合Peck在《state of the art report》報告中提出的沉陷槽形狀。

5　結(jié)論

西安地鐵3號線延興門站～咸寧路站區(qū)間屬于西安黃土梁，通過FLAC3D數(shù)值模擬淺埋暗挖法4種工況對地表沉降的影響，綜合分析采用環(huán)形臺階預留核心土法進行施工，并對該法引起的地表沉降變形進行現(xiàn)場跟蹤監(jiān)測，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)得出隧道開挖過程影響地表沉降變形的特征和規(guī)律。結(jié)果表明：

①通過詳細的前期調(diào)研和勘測，掌握隧道開挖地質(zhì)情況和周邊環(huán)境風險，選擇合理的施工方案，有效控制了地表的沉降；

②環(huán)形開挖預留核心土法施土，測點的影響范圍為-3D～5D，且在1D～3D范圍內(nèi)時，地表變形快速增長，沉降量約占總沉降量的55%～65%；

③地表的橫向沉降槽曲線符合Peck理論，即曲線近似呈正態(tài)分布；

④對地表沉降進行跟蹤監(jiān)測，獲得可靠的動態(tài)實測數(shù)據(jù)，指導施土單位采取有效控制措施以減小地表沉降變形。

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U231+.3

A

1007-7359（2016）04-0135-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.054

大型儲油罐地基處理技術(shù)研究

劉靜（1975-），女，河南焦作人，長安大學博士研究生；講師，主要從事土木工程專業(yè)的教學和科研工作。