土巖組合地層大斷面淺埋暗挖施工變形分析

楊東仁，張歡，姚瑤

（上海勘察設計研究院（集團）有限公司青島分公司，山東 青島 266000）

1 引言

近年來，我國城市化進程不斷加快，城市地面交通壓力日益繁重， 城市地下隧道成為有效解決城市地面交通壓力的有效途徑。 而城市核心區域狹窄的作業面對隧道建設提出了更高要求，因此，越來越多的城市地下交通隧道采用淺埋暗挖方法進行施工[1]。

當前，對軟土地層及軟弱圍巖地層隧道施工研究較多[2-4]，而典型土巖組合地層下，上層覆土厚度不均勻，土巖地層轉換較快，淺埋暗挖施工引起的周邊地表沉降變形與拱頂沉降、凈空收斂變形情況尚未開展深入研究。 當前，常用淺埋暗挖施工引起變形的研究方法主要有解析法[5]和數值模擬法[6-7]。

2 工程概況

青島市某地鐵車站風道采用暗挖法施工，風道寬14.1 m，高15.6 m，所處地層為強、中、微風化花崗巖層，圍巖等級為Ⅲ～Ⅳ級，風道處圍巖等級為Ⅲ級，采用臺階法和拱部CD 法施工，與主體接口段采用拱部CD 法施工。

場區第四系厚度0.00～12.10 m，主要由第四系全新統人工填土層（）及上更新統洪沖積層（）粉質黏土層及砂土層組成。 場地地下水類型主要為基巖裂隙潛水，水量較豐富。

3 監測點布設與三維有限元模型建立

3.1 監測點布設

淺埋暗挖工程監測過程中，主要監測項目為地表沉降、拱頂沉降和凈空收斂。 地表沉降點以斷面中線為中心，梯次向兩側布設監測點，每斷面共布設9 個地表沉降點。 于開挖完成斷面中線拱頂位置布設拱頂沉降點， 兩側拱肩或拱腰位置布設一組凈空收斂點。

3.2 三維有限元模型建立

對車站風井橫通道臺階法施作段與CD 法施作段分別進行數值模擬，采用MIDAS-GTS 有限元分析軟件，細化淺埋暗挖施工步驟，建立有限元模型，還原淺埋暗挖整個施工過程。

臺階法施作段開挖分步進行，開挖前設置超前錨桿支護，每施作一步，設置相應初期支護，全部開挖完成后施作二次襯砌，開挖步驟如表1 所示。 采用修正摩爾-庫倫模型構建有限元分析模型，模擬各土層及圍護結構。

表1 臺階法開挖步驟

4 地表沉降變形結果分析

4.1 地表沉降時間變形特性

臺階法施作段共設置8 個導洞，CD 法施作段設置4 個導洞，以淺埋暗挖施工各階段為時間導向，通過實時跟蹤兩斷面現場圍巖開挖推進速度， 得到分步開挖各階段地表沉降監測數據，與數值模擬結果進行對比分析，各階段地表沉降最大值如圖1 所示。

圖1 臺階法淺埋暗挖各階段最大地表沉降

對比分析可得臺階法與CD 法段最大地表沉降隨著開挖進行不斷增加， 拆除臨時支撐施作二次襯砌前最大地表沉降達到最大值。 其中， 臺階法段實際監測得到最大地表沉降為5.63 mm，數值模擬結果為4.77 mm，臺階法上臺階上側導洞開挖時，地表沉降變形幅度最大。 CD 法段實際監測得到最大地表沉降為6.82 mm，數值模擬結果為4.63 mm，CD 法左上導洞開挖時，地表沉降變形幅度最大。

臺階法上臺階上側導洞與CD 法左上導洞開挖為首次進行爆破開挖，風道周邊巖土體平衡狀態被打破，周邊巖土體向開挖的臨空面釋放載荷，進而導致地表發生較大沉降。 其中，由數值模擬與實際監測數據可得，CD 法淺埋暗挖段開挖完成，中隔壁拆除時，發生較為明顯地表沉降。 CD 法施作時，中隔壁起到臨時支撐作用，因此發生較大變形。

4.2 地表沉降空間變形特性

根據數值模擬結果，選擇距離風道中線5 m、10 m、18 m、28 m 位置地表沉降模擬結果與實測數據進行對比分析， 得到對比分析結果如圖2 所示。

圖2 臺階法段地表沉降與距風道中線距離關系圖

對比分析得到，現場實測數據與數值模擬結果非常接近，臺階法段與CD 法段均在風道中線位置， 地表沉降達到最大值，距離風道中線越遠，地表沉降值梯次遞減。 風道周邊兩側地表沉降值關于風道中線呈軸對稱，關系呈正態分布，從中線向兩側，地表沉降變形趨勢逐漸遞減，直至趨近于零。

Peck[8]基于大量實測數據，提出隧道施工引起的地表沉降呈正態分布， 并總結得到單線盾構橫向地表沉降預測公式。將臺階法與CD 法段地表沉降與距風道中線距離關系曲線代入單線隧道開挖Peck 公式進行擬合。 臺階法與CD 法段地表沉降與距風道中線距離關系曲線與單線隧道開挖Peck 公式擬合效果良好， 淺埋暗挖施工地表沉降變形遵循Peck 公式。

5 拱頂沉降與凈空收斂變形分析

選取淺埋暗挖各分步開挖階段拱頂沉降與凈空收斂實際監測數據，與數值模擬進行對比分析，臺階法段拱頂沉降數值模擬結果如圖3 所示，各階段最大值如圖4 所示。 由數值模擬結果可得， 臺階法段與CD 法段拱頂沉降最大處位于拱頂位置，凈空收斂最大處位于拱腰處。 其中，臺階法段數值模擬得到拱頂沉降最大為6.23 mm，實際監測為5.37 mm；凈空收斂最大為1.31 mm，實際監測為2.17 mm。CD 法拱頂沉降最大為6.37 mm，實際監測為5.31 mm；凈空收斂最大為2.48 mm，實際監測為1.04 mm。

圖3 臺階法段拱頂沉降變形云圖

圖4 臺階法各階段拱頂沉降與凈空收斂最大值

臺階法段，上臺階上側導洞開挖為首次進行爆破開挖，拱頂沉降與凈空收斂變形幅度較大，導洞緊鄰頂部巖土體，開挖拱頂沉降變形幅度最大。 上臺階左右兩側導洞開挖時，導洞部分緊鄰頂部巖土體，拱頂沉降變形幅度較大。 中臺階與下臺階開挖時，導洞不接觸頂部巖土體，拱頂沉降變形幅度較小。 臺階法開挖完成后，施作二次襯砌，此時周邊巖土體荷載均施加至圍護結構上，巖土體受力平衡，變形趨于穩定，拱頂沉降與凈空收斂達到最大值。

CD 法施作段左上導洞開挖為首次進行爆破開挖此時拱頂沉降與凈空收斂變形幅度最大，隨著淺埋暗挖施工進行，拱頂沉降與凈空收斂變形逐漸增大，臨時支護用中隔壁拆除，二次襯砌施作后，巖土體受力平衡，變形趨于穩定，拱頂沉降與凈空收斂達到最大值。

6 結論

通過對青島市某地鐵車站風道典型土巖組合大斷面淺埋暗挖數值模擬結果與監測數據對比分析， 總結得到變形規律如下。

1）土巖組合地區上層覆土厚度較淺，圍巖等級較高時，淺埋暗挖施工引起的地表沉降變形較小， 地表沉降隨圍巖爆破施工逐漸變大， 首個導洞進行開挖時， 地表沉降變形幅度最大，二次襯砌施作后，地表沉降達到最大值。

2）地表沉降在風道中線位置達到最大值，距離風道中線越遠，地表沉降值梯次遞減，淺埋暗挖地表沉降與距風道中線距離關系曲線服從單線隧道開挖Peck 公式。

3）土巖組合地層淺埋暗挖施工拱頂沉降與凈空收斂變形較小，首個導洞開挖時拱頂沉降與凈空收斂變形幅度較大，隨著淺埋暗挖施工進行，變形逐漸增大，二次襯砌施作后達到最大值。