地鐵暗挖通道施工地層位移計(jì)算分析

程利民

（南昌軌道交通集團(tuán)有限公司地鐵項(xiàng)目管理分公司，江西 南昌 330000）

0 引言

近年來(lái)，在國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力支持下，城市地鐵建設(shè)蓬勃發(fā)展。在地下通道等工程施工過(guò)程中地層變形備受重視，并被嚴(yán)格監(jiān)測(cè)，以防其對(duì)既有地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。為此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)隧道開(kāi)挖地層變形預(yù)測(cè)及控制開(kāi)展了大量研究，并在地表沉降預(yù)測(cè)、控制技術(shù)等方面取得長(zhǎng)足發(fā)展[1]。目前針對(duì)類(lèi)矩形等異形截面隧道施工效應(yīng)的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究還非常少見(jiàn)。張治國(guó)等[2]基于類(lèi)矩形截面隧道開(kāi)挖收斂位移模式,建立類(lèi)矩形隧道開(kāi)挖引起土體自由場(chǎng)位移的模型試驗(yàn)系統(tǒng),通過(guò)模擬類(lèi)矩形隧道開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程,實(shí)時(shí)記錄地表和地層內(nèi)部的沉降變形,分析類(lèi)矩形隧道開(kāi)挖引起土體自由場(chǎng)位移分布與發(fā)展規(guī)律。安建永等[3]通過(guò)理論推導(dǎo)不同地層最大沉降位移與沉降槽寬度系數(shù)的函數(shù)關(guān)系和模型試驗(yàn)得到黏土地表以下不同深度地層沉降槽寬度系數(shù)的計(jì)算公式，從而為預(yù)測(cè)圓形隧道施工地表以下不同深度地層豎向位移提供了一種可靠的計(jì)算方法。以上研究已經(jīng)對(duì)隧道開(kāi)挖引起地層的沉降進(jìn)行深入分析，但是未考慮因施工地層沿隧道縱向的水平位移，低估了地層沿隧道縱向剖面的變形程度。本文基于某地區(qū)地鐵車(chē)站出入口暗挖通道工程，結(jié)合數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮隧道施工引起的地層水平位移，在已有研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)地層水平位移計(jì)算公式進(jìn)行了簡(jiǎn)單推導(dǎo)。

1 工程背景

本工程地下通道全長(zhǎng)23.60m，在施工期間，堅(jiān)持每日對(duì)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。開(kāi)挖前在地下通道拱頂及兩側(cè)2m范圍內(nèi)采用WSS工法深孔注漿，防止拱頂下沉，并沿拱頂輪廓線打設(shè)超前小導(dǎo)管注漿加固。

1.1 工程地層地質(zhì)

出入口暗挖通道工程范圍內(nèi)地層具有二元結(jié)構(gòu)，主要以沉積物粗細(xì)變化顯著的河流沖積層為主。地層巖性均表現(xiàn)出由上部黏性土逐漸過(guò)渡到下部非黏性土（砂土）的變化特點(diǎn)，巖土層自上而下逐漸變得密實(shí)，施工全范圍內(nèi)未見(jiàn)軟弱層。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘探，按巖性及其工程特性，場(chǎng)地地層自上而下依次劃分為填土層（雜填土、素填土），粉質(zhì)黏土層，砂土層（中砂、粗砂、礫砂），風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層（強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖）。根據(jù)地質(zhì)時(shí)代、成因類(lèi)型、分布范圍及巖性特征自上而下分述如下：

（1）填土層：包括雜填土及素填土。雜填土土質(zhì)較松散，全場(chǎng)地分布，灰色、灰褐色，干，主要由碎石、砂礫等組成。局部頂部0.3m為混凝土石塊，穩(wěn)定性和均勻性差。素填土土質(zhì)較松散，全場(chǎng)地分布，棕褐、灰褐色，稍濕，主要由粉黏粒、砂礫及少量碎石組成。實(shí)測(cè)標(biāo)貫平均錘擊數(shù)為6擊，穩(wěn)定性和均勻性差。

（2）粉質(zhì)黏土：全場(chǎng)地分布，褐黃、棕黃色，可~硬塑，成分以粉黏粒為主，刀切面較光滑，韌性中等，干，強(qiáng)度中等，中等壓縮性，無(wú)搖震反應(yīng)，實(shí)測(cè)標(biāo)貫平均錘擊數(shù)為11擊。穩(wěn)定性和均勻性較好。

（3）砂土層：包括中砂、粗砂及礫砂。中砂土質(zhì)松散~稍密，全場(chǎng)地分布，棕黃、褐黃色，干~稍濕，松散-稍密，成分以石英、云母、長(zhǎng)石及硅質(zhì)巖等為主，粒徑>0.25mm的含量約占60%。實(shí)測(cè)標(biāo)貫平均錘擊數(shù)為11擊。穩(wěn)定性和均勻性較差。粗砂土質(zhì)稍密，全場(chǎng)地分布，棕黃、褐黃色，稍濕~飽和，稍密，成分以石英、云母、長(zhǎng)石及硅質(zhì)巖等為主，粒徑>0.5mm的含量約占65%。實(shí)測(cè)標(biāo)貫平均錘擊數(shù)為15擊。穩(wěn)定性和均勻性較差。礫砂土質(zhì)中密，全場(chǎng)地分布，褐黃、灰黃色，飽和，中密，成分以石英、云母、長(zhǎng)石及硅質(zhì)巖為主，粒徑>2mm的含量約占40%。含個(gè)別卵石，磨圓度較好，呈圓狀為主。修正后圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)平均擊數(shù)為10擊，穩(wěn)定性較好，均勻性較差。

（4）風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層：包括強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖全場(chǎng)地分布，紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖芯呈碎塊狀及短柱狀，碎塊用手可掰斷，正常鉆進(jìn)速度較快，巖芯采取率較低。屬極軟巖，巖石基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)，修正后圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)平均擊數(shù)為11擊，穩(wěn)定性較差。中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖全場(chǎng)地分布，紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖石風(fēng)化中等，巖體較完整，局部見(jiàn)少許垂直裂隙，少數(shù)鐵、錳質(zhì)渲染，錘擊聲啞、無(wú)回彈、有凹痕、易擊碎，巖芯多呈柱狀或短柱狀，屬軟巖巖石，基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。局部夾青灰色鈣質(zhì)泥巖，穩(wěn)定性較好。

1.2 水文地質(zhì)

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件及勘察查明，擬建場(chǎng)地地下水類(lèi)型可分為上層滯水、松散巖類(lèi)孔隙水、紅色碎屑巖類(lèi)裂隙溶隙水三種類(lèi)型。暗挖通道結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，開(kāi)挖深度范圍內(nèi)不涉及到紅色碎屑巖類(lèi)裂隙溶隙水，且開(kāi)挖幾乎不受地下水影響，故不考慮地下水問(wèn)題。

2 建立數(shù)值模型

如圖1所示，運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)某地區(qū)地鐵車(chē)站出入口通道施工進(jìn)行模擬。數(shù)值模型采用三維八節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格，為實(shí)現(xiàn)地下通道施工中地層深孔注漿、超前小導(dǎo)管注漿，在模型中對(duì)拱頂加固區(qū)域施加應(yīng)力場(chǎng)，并在計(jì)算時(shí)通過(guò)改變場(chǎng)變量以達(dá)到加固的效果。數(shù)值模型計(jì)算涉及主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模型主要物理參數(shù)

圖1 數(shù)值模型

3 地層位移計(jì)算

自Peck[4]提出隧道開(kāi)挖引起的地表橫向沉降槽近似服從高斯分布以來(lái)，許多學(xué)者對(duì)地層變形特性進(jìn)行了大量研究。其中，韓煊等[5]通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)多組隧道開(kāi)挖地層沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，提出了地下沉降槽寬度計(jì)算修正公式，得到任意地層深度Z處沉降計(jì)算如下：

式中：

Smax——地面沉降的最大值；

z0——隧道深度；

a——不同地層類(lèi)型的參數(shù)（對(duì)于黏性土，取0.65；對(duì)砂類(lèi)土，取0.50）；

x——沉降曲線中心到計(jì)算點(diǎn)的距離；

i——沉降曲線中心到曲線拐點(diǎn)的距離，稱(chēng)為“沉降槽寬度”。

公式（1）僅考慮到了地層任一點(diǎn)處的沉降特征，在實(shí)際工程中，變形不僅為地層沉降，還包括沿地下通道開(kāi)挖方向的位移（下文稱(chēng)“水平位移”），地層的總變形量由沉降以及水平位移共同控制。如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值擬合曲線特征與數(shù)值模擬值變化特征基本一致，表明該數(shù)值模型可以反映實(shí)際工程情況，具有一定的代表性。

圖2 地表沉降對(duì)比分析

為了分析地下通道開(kāi)挖引起地層水平位移與沉降的關(guān)系，在（1）式的基礎(chǔ)上引入比值系數(shù)k對(duì)距隧道軸線不同距離x處地層水平位移與對(duì)應(yīng)沉降的關(guān)系進(jìn)行擬合，二者關(guān)系如下：

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，因?yàn)榈貙幼冃我缘叵峦ǖ拦绊敒榻鐚?duì)稱(chēng)分布，地下通道拱頂剖面（x=0m）不同深度的沉降與水平位移的關(guān)系如圖3所示，右側(cè)地層各剖面（x=0~30m）沉降與水平位移的關(guān)系如表2所示。當(dāng)x=（0~4）m時(shí)，隨著距離增大，水平位移與沉降逐漸減小，比值系數(shù)k逐漸增大。

表2 水平位移與沉降比值表

圖3 x=0m剖面沉降與水平位移關(guān)系曲線

地下通道開(kāi)挖施工時(shí)引起的地層變形影響范圍與其跨度密切相關(guān)，為了分析系數(shù)k與至軸線距離的變化規(guī)律，由表2繪制K值變化曲線，如圖4所示。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，k值隨相對(duì)距離ξ（ξ=x/d，d為地下通道寬度）的增大而增大，其分布特征大致符合對(duì)數(shù)函數(shù)形式，在3ξ左右k值就已經(jīng)無(wú)限趨近于1，但不會(huì)大于1（在距離無(wú)限遠(yuǎn)處，地層水平位移與沉降均為0，k=1）。利用Logistc函數(shù)對(duì)k值隨相對(duì)距離ξ的變化特征進(jìn)行擬合，得到k值擬合公式（式3）：

圖4 k值變化曲線示意圖

地層各點(diǎn)沿隧道縱向的總變形量計(jì)算公式為：

式（4）在地層沉降計(jì)算的基礎(chǔ)上加入了地層水平位移，使計(jì)算結(jié)果更加貼近實(shí)際工程。根據(jù)上式特征，地下通道開(kāi)挖引起地層位移變化曲線符合高斯分布特性，隨著遠(yuǎn)離地下通道軸線，地層變形逐漸減小并趨近于零。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于某地區(qū)地鐵車(chē)站出入口暗挖工程，通過(guò)建立數(shù)值模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型可信度進(jìn)行驗(yàn)證，在韓煊等已有研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)地層變形進(jìn)行深入分析，提出包含地層水平與垂直位移的計(jì)算公式。通過(guò)此公式，能夠更加準(zhǔn)確地對(duì)地層位移進(jìn)行分析，以便在實(shí)際工程中對(duì)地層變形進(jìn)行嚴(yán)格把控，保證施工安全。