淺埋隧道施工擾動下含空洞土巖復合地層變形規(guī)律研究

張國棟，劉 昌，張素磊, , *，馬傳明

(1.青島理工大學 土木工程學院，青島 266033；2.北京交通大學 城市地下工程教育部重點實驗室，北京100044)

隨著地鐵隧道大規(guī)模的建設，由此帶來的安全問題一直是社會關注的熱點，鑒于地下工程的隱蔽性和地質(zhì)勘察不詳細等因素，近年來地鐵施工引起的地表坍塌事故頻發(fā).通過對國內(nèi)外地鐵隧道安全事故分析，將事故原因分為以下4大類：地層失穩(wěn)、不良地質(zhì)體、地下管線及施工管理[1].在北京、成都等城市地鐵施工中發(fā)現(xiàn)了大量地層空洞[2]，并且在地鐵隧道施工過程中由于空洞、水囊等不良地質(zhì)現(xiàn)象而發(fā)生突泥、突水、坍塌等事故屢見不鮮.目前，有大量學者就地鐵隧道施工引起的地層變形規(guī)律進行了研究，蔡義等[3]基于模型試驗就淺埋地層隧道施工擾動下空洞對地層變形的影響規(guī)律進行了研究；楊公標等[4]利用復變函數(shù)推導了不同大小空洞處于不同位置時對地層變形的影響規(guī)律；張成平等[5-7]通過室內(nèi)相似試驗分別研究了管線滲漏水及空洞對軟弱淺埋地鐵隧道變形及塌方的影響機制，獲取了隧道的塌方機制和演化規(guī)律；陶連金等[8]利用離散元軟件對城市道路下空洞的演化過程進行了研究，獲取了空洞尺寸、埋深等因素對其穩(wěn)定性的影響規(guī)律；張頂立等[9]針對城市隧道施工環(huán)境的復雜性、開挖地層的多樣性，分別從地層物質(zhì)組成、結構及所處環(huán)境對隧道施工影響下地層變形規(guī)律進行了較為全面的研究，揭示了城市隧道施工擾動下地層的變形機制；鮑靈高[10]通過對地表塌陷的原因進行分析，得出了不良地質(zhì)和管線滲漏是導致地表塌陷的重要原因，并提出了相應的控制措施；張海波等[11]利用數(shù)值計算對地鐵隧道施工過程中地表沉降敏感性因素進行了分析，認為隧道埋深對地表沉降的影響大于支護方式及開挖方法.現(xiàn)有研究主要是針對單一地層條件下地層變形規(guī)律進行了研究，對淺埋地鐵隧道施工擾動下含空洞土巖復合地層變形規(guī)律卻鮮有研究，因此，本文基于青島某地鐵工程對淺埋地鐵隧道施工擾動下含空洞土巖復合地層變形規(guī)律進行分析，研究結果可為含空洞地層地鐵隧道施工及災變控制機制提供參考.

1 工程概況

本文依托青島某地鐵隧道暗挖區(qū)間工程，隧址區(qū)屬于侵蝕堆積一級階地地貌單元，自上而下涉及的土層主要為素填土、雜填土、粉質(zhì)黏土、強風化花崗巖，其中，局部存在不密實、松散區(qū)，花崗巖局部揭露碎裂巖.隧道開挖斷面為三心圓馬蹄形斷面，采用礦山法爆破施工，初期支護設計外徑尺寸寬×高為7.2 m×7.34 m，初支厚度350 mm，拱頂埋深5～11 m，開挖區(qū)域主要位于強—中風化花崗巖地層，斷面參數(shù)如圖1所示.

圖1 隧道橫截面參數(shù)

地鐵隧道開挖引起的應力釋放會造成圍巖變形，當?shù)刭|(zhì)狀況較差時地表甚至會發(fā)生大變形、坍塌等不良現(xiàn)象.青島某地鐵區(qū)間位于城市主干道下，開挖區(qū)間上覆土層密實性較差，土顆粒隨雨水流失后造成土層局部脫空，引起地表沉陷、開裂等現(xiàn)象時有發(fā)生，經(jīng)過對地表進行檢測后發(fā)現(xiàn)地層存在多處脫空、不密實等現(xiàn)象.

2 計算介紹

2.1 計算模型

計算模型中對實際巖土層簡化為土層、巖層兩部分，其中土層6 m、巖層22 m，空洞位于土層、隧道位于巖層，隧道埋深7 m，模型尺寸為50 m×30 m×28 m，計算模型如圖2所示.模型上部邊界為自由邊界，左右邊界約束X向的位移，下部邊界約束Z方向位移，縱向方向約束Y方向位移.在隧道開挖前采取“殺死”空洞位置網(wǎng)格單元的方法來模擬空洞，通過應力釋放來模擬隧道的施工過程，本文主要研究隧道施工對地層變形的影響，施工方法簡化為全斷面開挖，隧道沿Y方向分10步開挖，每開挖循環(huán)3 m，圍巖滿足摩爾-庫倫屈服準則，襯砌采用殼單元結構進行模擬，材料參數(shù)見表1.

表1 模型材料參數(shù)

2.2 計算工況

計算模型中空洞縱向長度、直徑分別為6，2 m，其中空洞和隧道沿Y方向(隧道掘進方向)的中心軸平行、兩者沿Z軸方向上的中心軸重合，空洞與隧道相對位置關系如圖3所示.為了分析地鐵隧道施工過程中不同位置空洞對地層變形的影響規(guī)律，共設計了7種計算工況，其中工況1為無空洞的參照組，工況2為空洞位于隧道正上方，工況3—7中空洞軸線與隧道軸線的距離分別為2，4，6，8，10 m，工況詳情見表2.

表2 計算工況

圖3 空洞與隧道相對位置

2.3 模型驗證

圖4為工況1中地表沉降數(shù)據(jù)、文獻[2]數(shù)據(jù)及實測地數(shù)據(jù)曲線.三者地表沉降變形規(guī)律相似，但是沉降值大小不同.由于與文獻[2]中模型尺寸及材料參數(shù)不同，并且本文計算模型未考慮地下水流失引起的土壤固結以及其他施工擾動等因素造成的地表沉降，故本文沉降值較后兩者較小，但本文重點是研究地層變形規(guī)律，因此本文的計算結果合理.

圖4 計算數(shù)據(jù)與地表實測數(shù)據(jù)對比

3 計算結果分析

3.1 地表沉降分析

地層空洞影響上覆地層位移分布規(guī)律，且空洞上方為大變形發(fā)生的主要位置[2]，因此，重點關注空洞中心與隧道中心所在斷面地層變形規(guī)律，圖5為工況1和工況7最終沉降云圖.

圖5 地層最終沉降云圖

圖6為典型工況下各施工階段地表沉降曲線，由圖可見：

圖6 地表沉降曲線

1) 工況1中地表變形受隧道施工影響較大，整個變形過程可分為3個階段：隧道開挖前期(1—3開挖步)開挖面距監(jiān)測面較遠，施工擾動引起的地表沉降較小，隨著開挖推進對土層的擾動逐漸增大，造成明顯的沉降現(xiàn)象，開挖后期隨著開挖面的遠去(9—10開挖步)地表沉降速率又趨于穩(wěn)定.

2) 地層空洞的存在改變了沉降曲線的分布規(guī)律，地表沉降現(xiàn)象更為顯著，沉降曲線的分布形狀與空洞所處位置緊密相關，沉降槽位于空洞軸線處，隨著空洞與隧道間距離增大地表沉降最大值呈減小趨勢，其中，工況6與工況7在空洞中心軸處沉降值僅相差0.25%，因此，可認為空洞與隧道距離大于10 m時(約為斷面開挖寬度1.4倍)，空洞附近地表沉降受隧道開挖影響較小.

為了分析不同位置空洞對隧道軸線處地表沉降的影響規(guī)律，重點對該特征點的沉降值進行分析.由圖7(a)可見，空洞的存在使得地表沉降值由無空洞工況下的0.43 mm增大到4.69 mm(增大倍數(shù)為9.84)，隨著空洞與隧道距離增大，特征點沉降值逐漸減小.對存在空洞工況下的特征點沉降值相比于無空洞工況下的增大倍數(shù)進行了計算，見圖7(b),當偏移距離達到10 m時沉降值為0.56 mm，增大倍數(shù)為無空洞工況下的0.29.

圖7 隧道軸線處地表最終沉降分析

通過擬合得沉降值增大倍數(shù)隨空洞偏移距離的增大呈指數(shù)降低趨勢，擬合公式為

Smax=9.78×X(-1.54)

(1)

可認為沉降值增大倍數(shù)小于0.1時，空洞的存在對特征點沉降影響可忽略不計，則式(1)可表示為

Smax=9.78×X(-1.54)≤0.1

(2)

求得X=19.49，因此，可認為空洞中心軸距隧道中心軸水平距離大于19.5 m時(約為斷面開挖寬度2.7倍)，地層空洞對隧道中心地表沉降影響可忽略不計.

3.2 土巖分界面沉降分析

地鐵隧道施工過程中的應力釋放現(xiàn)象會影響土層的應力分布，進而改變土巖分界面的變形特征，同樣，選取空洞中心與隧道中心所在斷面來分析土巖分界面變形規(guī)律，土巖分界面最終沉降云圖如圖8所示.

圖8 土巖分界面最終沉降云圖

圖9為土巖分界面的沉降變形曲線，分析可得：

圖9 土巖分界面沉降曲線

1) 土巖分界面的變形發(fā)生在隧道整個施工階段，變化過程可分為3個階段：“緩慢變形階段”(0—3開挖步)、“急劇變形階段”(4—7開挖步)、“變形趨穩(wěn)階段”(8—10開挖步)，即隧道開挖初期對特征斷面擾動較小，當?shù)介_挖步4時，各特征斷面位移出現(xiàn)急劇增大現(xiàn)象，隨著開挖面的遠離位移變化曲線又逐漸趨于緩和.

2) 土巖分界面沉降曲線分布形狀與空洞所處位置相關，但空洞的存在對沉降槽的分布影響較小.由于空洞的存在使得該位置原先的重力作用消失，在施工階段初期，土巖分界面在空洞軸線位置呈現(xiàn)“上凸現(xiàn)象”，隨著開挖斷面的靠近分界面受施工擾動增大，“上凸現(xiàn)象”逐漸消失.

3) 不同工況下土巖分界面最終沉降曲線分布形狀相似，由于隧道的施工擾動以及空洞的存在，使得土巖分界面在隧道軸線和空洞軸線處的分布存在不同.

對隧道軸線及空洞軸線處土巖分界面處的最終沉降值進行了分析，如圖10所示.空洞存在于隧道正上方時，土巖分界面上方重力作用減小，使得最終沉降值呈減小現(xiàn)象.隨著空洞的遠離“空洞效應”逐漸減弱，當偏移距離達8 m時，隧道軸線上的沉降值與無空洞工況下的基本相同.圖11為空洞軸線處土巖分界面最終沉降值，可見，隨著空洞與隧道的距離增大，在“隧道開挖效應”和“空洞效應”疊加下空洞軸線處沉降值不斷減小，當空洞距隧道8 m時，空洞軸線處沉降值僅為0.01 mm.

圖10 隧道軸線處土巖分界面最終沉降值

圖11 空洞軸線處土巖分界面最終沉降值

綜上分析可見：土巖分界面變形特征與隧道開挖應力釋放和圍巖擾動息息相關，上覆地層空洞的存在僅影響空洞附近的地層變形特征，且“空洞效應”隨空洞離隧道的距離增大而逐漸減弱.

4 結論

1) 空洞的存在造成空洞附近地層沉降急劇增大，地表沉降曲線及土巖分界面沉降曲線均隨空洞的偏移發(fā)生相應的偏移.

2) 地層空洞與地表沉降曲線存在一定方位關系，即地表沉降曲線隨空洞的偏移發(fā)生相應偏移；隧道施工過程中，空洞對地層變形的影響范圍有限：空洞與隧道距離大于1.4倍斷面開挖寬度時，空洞軸線處地表沉降受隧道開挖影響較小；當空洞中心軸距隧道中心軸水平距離大于2.7倍斷面開挖寬度時，空洞的存在對隧道中心地表沉降影響在10%之內(nèi).

3) 土巖分界面的變形發(fā)生在隧道整個施工階段，變化過程可分為“緩慢變形階段”“急劇變形階段”“變形趨穩(wěn)階段”；土巖分界面變形特征與隧道開挖應力釋放和圍巖擾動息息相關，上覆地層空洞僅影響空洞附近的地層變形特征，且“空洞效應”隨其離隧道的距離增大而逐漸減弱.