淺埋黃土地鐵雙連拱隧道施工引起地表沉降特征研究

劉新軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,710043,西安∥高級(jí)工程師)

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淺埋黃土地鐵雙連拱隧道施工引起地表沉降特征研究

劉新軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,710043,西安∥高級(jí)工程師)

以西安地鐵4號(hào)線飛天路站到航天大道站區(qū)間雙連拱隧道工程為例,通過FLAC3D軟件模擬計(jì)算隧道兩側(cè)洞室采用CRD法(交叉中隔墻法)施工時(shí)各階段地表沉降,并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：兩側(cè)洞室施工引起地表沉降占總沉降的65%,上導(dǎo)洞施工引起地表沉降占該階段總沉降的67%；控制上導(dǎo)洞施工引起的沉降是控制最終沉降的關(guān)鍵。中洞施工時(shí),在監(jiān)測(cè)斷面前后1.5倍單個(gè)導(dǎo)洞寬度范圍內(nèi)地表沉降增長速率較大;兩側(cè)洞室施工時(shí),在監(jiān)測(cè)斷面前后5倍單個(gè)導(dǎo)洞寬度范圍內(nèi)地表沉降增長速率較大。當(dāng)施工到該范圍內(nèi)時(shí),應(yīng)及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

雙連拱隧道; 地表沉降; 數(shù)值模擬

Author′s address China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd.,710043,Xi′an,China

在特殊地質(zhì)及地形條件地區(qū),為保證線路流暢,斷面造型美觀,可采用雙連拱隧道。但連拱隧道跨度大,施工工序繁瑣,圍巖受擾動(dòng)次數(shù)多,中墻受力復(fù)雜,結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換頻繁。為了全面了解連拱隧道在施工過程中圍巖的穩(wěn)定性、支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力演變以及地表變形規(guī)律,國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)雙連拱隧道展開了一系列研究。胡慶安等[1]利用ANSYS軟件對(duì)隧道圍巖的變形進(jìn)行了三維有限元分析,得出了右洞開挖對(duì)左洞圍巖位移的影響約為開挖面前后3B(B為單洞開挖跨度)的范圍。任安菊[2]對(duì)連拱隧道施工過程進(jìn)行了三維彈塑性有限元數(shù)值模擬,得到了施工過程中圍巖應(yīng)力集中區(qū)分布情況,并分析了最終地表沉降曲線的特點(diǎn)。楊萌[3]對(duì)雙連拱隧道的開挖及支護(hù)全過程進(jìn)行有限元模擬,分析了不同工序下圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形規(guī)律。許多學(xué)者還結(jié)合實(shí)際工程探討了雙連拱隧道的開挖技術(shù)[4-6]，并對(duì)中墻進(jìn)行了空間力學(xué)效應(yīng)分析[7-9]。但是,以上研究大多是進(jìn)行了連拱隧道在開挖工程中圍巖的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分析、襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移變化規(guī)律的探討，以及中墻受力隨開挖過程變化的情況,較少討論黃土地鐵連拱隧道左右側(cè)洞室采用CRD法(交叉中隔墻法)施工時(shí)的地表沉降規(guī)律。本文依托西安地鐵4號(hào)線飛天路站—航天大道站區(qū)間雙連拱隧道工程,利用FLAC3D軟件對(duì)隧道施工過程進(jìn)行計(jì)算,分析地表變形特征,并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,其研究結(jié)果可為類似工程提供參考。

1 工程概況

西安地鐵4號(hào)線飛天路站—航天大道站區(qū)間連拱隧道沿神州四路地下布設(shè)。神舟四路為城市主干路,兩側(cè)有住宅小區(qū),道路寬度為50 m,為雙向4車道瀝青路面,道路車流量平時(shí)一般,上下班高峰期車流量較大。隧道起止里程為YZDK4+913.848～YDK5+127.430,隧道全長約214 m,整體跨度為22.41 m,高10.13 m,中洞采用正臺(tái)階法施工,在中洞施工完成之后施工中墻,最后采用CRD法施工左右兩側(cè)洞室。隧道斷面如圖1和圖2所示,其中A點(diǎn)為道路中心點(diǎn),L1為開挖步距,L2為臺(tái)階長度,L3為相鄰導(dǎo)洞掌子面相差距離,L4為左右兩側(cè)相對(duì)應(yīng)導(dǎo)洞掌子面相差距離。隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù),支護(hù)參數(shù)見表1。采用超前小導(dǎo)管、超前大管棚進(jìn)行預(yù)加固,小導(dǎo)管厚度t=3.5 mm,長度l=3.5 m,外插角θ=15°,鋼管直徑d=42 mm,環(huán)向間距為0.4 m,縱向間距為2.0 m。

該區(qū)段內(nèi)濕陷性土層最大埋深為27.8 m,最大厚度為19.2 m,屬于自重濕陷性黃土,濕陷性等級(jí)為Ⅱ。地下水位埋深46.5 m,其補(bǔ)給主要有大氣降水、側(cè)向徑流及局部水管滲漏等,排泄方式主要為徑向排泄、人工開采和潛水越流排泄等。

表1 支護(hù)參數(shù)表

圖1 隧道橫向斷面圖

圖2 隧道縱向斷面圖

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立了三維計(jì)算模型,巖土體采用實(shí)體單元模擬,其本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb,相應(yīng)的材料參數(shù)與地質(zhì)勘探資料相同。注漿區(qū)采用增大巖土體參數(shù)的方法來模擬。襯砌采用實(shí)體單元模擬,其本構(gòu)模型為彈性各向同性模型。鋼拱架的作用按照等效的方法予以考慮,即是將鋼拱架的彈性模量折算給混凝土,其計(jì)算公式[10]為:

E=E0+

式中:

E——折算后混凝土彈性模量;

E0——折算前混凝土彈性模量;

Eg——鋼材彈性模量;

Sg——鋼拱架橫截面積;

Sc——混凝土截面面積。

由于道路在高峰期時(shí)車流量較大,故在模擬過程中對(duì)地表施加附加荷載,附加荷載按照15 kPa考慮。考慮到隧道開挖對(duì)周圍土體的影響范圍,計(jì)算模型尺寸為X·Y·Z=120 m×48 m×72 m,模型共92 328個(gè)單元,98 700個(gè)節(jié)點(diǎn)。建立的CRD法施工模型如圖3所示。

模型的邊界條件為:左右兩側(cè)約束X方向位移,前后兩側(cè)約束Y方向位移,底面約束Z方向位移。

2.2 計(jì)算參數(shù)

圖3 CRD法計(jì)算模型

表2 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.3 隧道開挖

模擬開挖過程中,開挖步距L1=0.5 m,臺(tái)階長度L2=4 m,相鄰導(dǎo)洞掌子面相差L3=12 m,左右側(cè)相對(duì)應(yīng)導(dǎo)洞掌子面相差L4=12 m,對(duì)Y=24 m處的地表點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 施工步驟如表3所示。

表3 施工步驟

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表沉降橫向變化過程

各施工階段引起的地表沉降見表4。由表可知:

(1) 中洞施工完成后,地表沉降最大值為11.02 mm,占總沉降的31%。上導(dǎo)洞開挖到監(jiān)測(cè)斷面時(shí),由于施工擾動(dòng)引起應(yīng)力釋放,地表沉降占該階段總沉降的大部分,為64%,故在施工上導(dǎo)洞時(shí)可加強(qiáng)對(duì)圍巖的預(yù)加固,并控制進(jìn)尺和開挖速度來限制地層移動(dòng)。當(dāng)下導(dǎo)洞通過監(jiān)測(cè)斷面之后,由于襯砌變形、土體固結(jié)和混凝土失水收縮,引起的地表沉降占該階段總沉降的20.16%,故要注意及時(shí)在背后注漿。

(2) 施工中墻時(shí),中洞施工已完成且地表沉降基本穩(wěn)定,故對(duì)其擾動(dòng)很小,引起的地表沉降僅占總沉降的5%。

(3) 兩側(cè)導(dǎo)洞施工完成后,地表沉降最大值為34.58 mm,占總沉降的63.87%,兩側(cè)洞室上導(dǎo)洞開挖時(shí),拱頂上方土體由于應(yīng)力重分布必然向臨空面移動(dòng),引起地表較大沉降,沉降量占該階段總沉降的68%。下導(dǎo)洞開挖時(shí),對(duì)土體擾動(dòng)小,且上導(dǎo)洞已支護(hù)封閉成環(huán),承擔(dān)了一部分壓力,故引起地表沉降較小,沉降量占該階段總沉降的25.47%。后期由于襯砌變形、土體固結(jié)和混凝土收縮引起的地表沉降占總沉降的6.53%。故控制該階段沉降的關(guān)鍵在于控制上導(dǎo)洞開挖引起的地表沉降。

表4 地表沉降隨施工過程變化情況

3.2 地表沉降縱向變化過程

3.2.1 中洞開挖地表沉降縱向變化過程

中洞開挖過程中,以監(jiān)測(cè)斷面中心點(diǎn)為觀測(cè)點(diǎn),觀測(cè)點(diǎn)沉降隨開挖過程的變化如圖4所示。

圖4 中洞開挖完后地表A點(diǎn)縱向沉降

由圖4可知,觀測(cè)點(diǎn)縱向沉降分為3個(gè)階段。當(dāng)開挖到第4步時(shí),觀測(cè)點(diǎn)沉降開始受開挖影響;在開挖到第8步之前,地表沉降緩慢增長,到第8步時(shí)累計(jì)沉降量為2.3 mm,占最終沉降的21.1%。之后,地表沉降隨掌子面的推進(jìn)迅速增長;在開挖到第16步之后,地表沉降增長速度變緩,這之前中洞上方累計(jì)沉降量為9.68 mm,占最終沉降的87.8%。綜上可知:地表縱向沉降3個(gè)階段沉降占比分別為21%、67%、12%;每個(gè)階段所在范圍分別為-16 m～-8 m(約為-3B～-1.5B)，-8 m～8 m(約為-1.5B～1.5B)，以及1.5B之后。

3.2.2 兩側(cè)導(dǎo)洞開挖地表沉降縱向變化過程

兩側(cè)導(dǎo)洞開挖過程中,以監(jiān)測(cè)斷面中心點(diǎn)為觀測(cè)點(diǎn),觀測(cè)點(diǎn)位移隨開挖過程的變化如5所示。由圖可知,觀測(cè)點(diǎn)縱向沉降分為3個(gè)階段,開挖到第4步時(shí),觀測(cè)點(diǎn)沉降開始受開挖影響;在開挖到第12步(導(dǎo)洞1掌子面到監(jiān)測(cè)斷面)之前,地表沉降緩慢增長;到第12步時(shí)累計(jì)沉降分別為4.8 mm,占最終沉降的21%;之后,地表沉降迅速增長,當(dāng)開挖到第26步(導(dǎo)洞7掌子面到監(jiān)測(cè)斷面)之后,地表沉降增長變緩,這之前累積沉降量為21.2 mm,占最終沉降的92.35%。綜上可知,地表縱向沉降中3個(gè)階段沉降占比依次為21%、71%、8%。地表縱向沉降速率最快的階段所在范圍為-5B～5B。

圖5 兩側(cè)導(dǎo)洞施工完后地表A點(diǎn)縱向沉降

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

在實(shí)際施工過程中,對(duì)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè),隧道里程YDK4+943.848處監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。圖中A1～A11為沉降觀測(cè)點(diǎn)。本工程監(jiān)測(cè)等級(jí)為一級(jí),為確保路面和地下管線的正常運(yùn)行以及隧道施工期間的安全,要求地面沉降累計(jì)值為30 mm[11]。

4.2 地表沉降橫向變化監(jiān)測(cè)分析

實(shí)測(cè)地表沉降橫向變化如圖7所示。由圖可知,中洞施工完后,地表沉降曲線關(guān)于隧道中心線對(duì)稱,最大值為9.8 mm,占最終沉降的32%,沉降槽寬度為16 m,橫向影響范圍為40 m。中墻施工完后,沉降最大值為11 mm,占總沉降的36.52%,且地表沉降曲線形狀基本沒變化。兩側(cè)導(dǎo)洞施工完成后,地表沉降最大值為29.6 mm,發(fā)生在隧道中心線處,滿足規(guī)范要求。這與模擬結(jié)果基本一致。

圖6 地表橫向監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖7 實(shí)測(cè)地表橫向沉降曲線

4.3 地表沉降縱向變化監(jiān)測(cè)分析

實(shí)測(cè)兩側(cè)導(dǎo)洞開挖地表沉降縱向變化曲線見圖8。由圖可知,當(dāng)導(dǎo)洞1掌子面距監(jiān)測(cè)斷面16 m時(shí),觀測(cè)點(diǎn)A6開始受導(dǎo)洞開挖的影響。在導(dǎo)洞1開挖到監(jiān)測(cè)斷面之前,地表沉降緩慢增長,導(dǎo)洞1開挖到監(jiān)測(cè)斷面時(shí),地表沉降為4.6 mm,占總沉降19.1%。從導(dǎo)洞1開挖到監(jiān)測(cè)斷面至導(dǎo)洞7開挖到監(jiān)測(cè)斷面,地表沉降迅速增長,導(dǎo)洞7開挖到監(jiān)測(cè)斷面時(shí),地表沉降為21.15 mm,占總沉降的88%。之后,地表沉降緩慢增長,直到穩(wěn)定,穩(wěn)定時(shí)沉降值為24.03 mm。這與模擬結(jié)果吻合較好。

圖8 實(shí)測(cè)兩側(cè)導(dǎo)洞開挖地表縱向沉降曲線

5 結(jié)論

通過FLAC3D軟件對(duì)西安地鐵4號(hào)線飛天路站到航天大道站區(qū)間雙連拱隧道進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,分析了地表橫向和縱向變形規(guī)律,并用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證,得到如下結(jié)論:

(1) 在隧道施工過程中,每個(gè)階段引起地表沉降差異較大。中洞開挖引起的地表沉降占最終沉降的30%,其中上導(dǎo)洞開挖是引起地表沉降的主要部分,占64%。中墻開挖引起地表沉降占最終沉降的5%。兩側(cè)導(dǎo)洞開挖引起地表沉降占最終沉降的65%,導(dǎo)洞1、3、2和6、4和8、5、7開挖引起地表沉降占該階段總沉降的21%、7%、25%、11%、21%、6%,其中上導(dǎo)洞開挖是引起沉降的主要部分,占67%。因此在施工上導(dǎo)洞時(shí),可通過加密小導(dǎo)管和在掌子面全斷面處注漿來加強(qiáng)初期支護(hù)。

(2) 在隧道兩側(cè)施工過程中,地表縱向沉降曲線均分為3個(gè)階段:緩慢增長階段,迅速增長階段,緩慢增長階段。但不同施工中地表沉降迅速增長階段所在范圍不同,對(duì)于中洞施工,在監(jiān)測(cè)斷面前后1.5倍單個(gè)導(dǎo)洞寬度范圍內(nèi)沉降增長最迅速;對(duì)于兩側(cè)洞室施工,在監(jiān)測(cè)斷面前后5倍單個(gè)導(dǎo)洞寬度范圍內(nèi)沉降增長最迅速。當(dāng)施工在該范圍內(nèi)時(shí),應(yīng)及時(shí)施加初期支護(hù),加強(qiáng)地表監(jiān)測(cè),并通過監(jiān)測(cè)信息指導(dǎo)施工。

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Surface Settlement Caused by Shallow Double-arch Tunnel Construction in Loess Land

LIU Xinjun

Based on the double-arch tunnel project between Flying Road Station and Space Avenue Station on Xi′an metro Line 4, software FLAC3Dis used to simulate the surface settlement during the construction stage when two side chambers are excavated by cross diaphragm (CRD) method, the calculated results are compared with the measured data for the interval. The result shows that the surface settlement caused by the excavation of the two side chambers accounts for 65% of the total settlement, the top heading excavation accounts for 67% of the total settlement. It is clear that the construction of the two side chambers of the top heading is the key to control the final surface settlement. The growth rate of surface settlement is larger in the monitoring section before and after 1.5 times of a single heading width range as the middle of the tunnel is excavated, in the monitoring section before and after 5 times of a single tunnel width range as the two side chambers are excavated. Therefore, the monitoring should be strengthened and the initial support be applied in time when the construction is carried out within the certain range.

double-arch tunnel; surface settlement; numerical simulation

TU 433

10.16037/j.1007-869x.2017.05.009

2016-06-07)