地鐵隧道下穿高速公路的圍巖變形機理研究

周 建 偉

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都　610081)

?

地鐵隧道下穿高速公路的圍巖變形機理研究

周 建 偉

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081)

摘要：依托深圳地鐵7號線礦山法隧道下穿廣深高速公路工程，綜合考慮了上軟下硬地層的地質條件，通過對比分析現場監測所得到的結論，揭示了礦山法地鐵隧道下穿既有高速公路的圍巖變形機理與地表沉降規律。通過研究可知，影響隧道下穿既有構筑物變形的因素主要為地質因素、施工工法因素和隧道間距因素；地表變形規律可分為四個階段，每個階段其變形特征有所差異。

關鍵詞：地鐵; 上軟下硬地層; 下穿工程; 圍巖變形; 近距離

我國大中型城市規模不斷擴展，不僅地面建筑日益密集趨于飽和，而且地下空間也不斷擴展。為了減小對既有構筑物的影響而進行新線選址日趨困難，致使新建地鐵區間隧道工程穿越既有構筑物的概率越來越大[1]。當隧道建設改變原有地層應力狀態，從而引起地層產生位移，造成地表既有構筑物變形失穩[2]。Ramón[3]基于非接觸測量技術，針對圓形隧道下穿既有構筑物的變形特征，開展了現場監測與數據分析研究。Maria等[4]采用數值計算分析方法，結合下穿工程實例，研究了隧道圍巖變形規律。曹瑞瑯等[5]結合武廣高鐵尖峰頂隧道下穿地表高壓輸電線塔的工程實踐，開展了隧道施工前后地層變形監測和分析，提出了控制大變形的工程措施。李棟等[6]依托重慶花卉園地鐵隧道施工，基于隧道穩定性關鍵影響因素和數值模擬，提出了圍巖變形控制措施。朱正國等[7]基于ANSYS二維有限元方法，對新建鐵路隧道下穿既有鐵路工程開展了數學模擬計算，探討了不同最大等效應力、地質條件、隧道埋深、隧道結構形式等96種工況下的地表沉降特征。雖然國內外已開展了城市地鐵下穿既有構筑物的相關研究工作，但是，針對上軟下硬地層這種特殊地質條件與運營高速公路變形控制的高標準方面的研究成果較少。筆者依托深圳地鐵7號線礦山法隧道下穿廣深高速公路工程，在綜合考慮了上軟下硬地層的地質條件、通過對比分析現場監測所得到的結論，研究了礦山法地鐵隧道下穿既有高速公路的圍巖變形機理與地表沉降規律。

1工程概述

深圳地鐵7號線安托山站～農林站區間段下穿廣深高速4次(表1)。該段下穿區域主要地層為第四系全新統人工填筑土、礫(砂)質粘性土，下伏基巖為燕山期花崗巖。區間隧道埋深較大，穿越地層多為強～微風化巖體，施工難度很大。其中下穿廣深高速地層及環境的基本特點為：原狀殘積土為厚達16～20 m的砂質土及雜填土、高速公路填土路基及路面結構，隧道洞身上部為殘積土(局部是回填土)，下部為巖石且富含水，嚴重影響穿越工程施工及廣深高速公路的安全。

2所采用的關鍵施工技術

表1　安～農區間隧道下穿廣深高速公路匯總表

為了保證新建隧道順利、安全地下穿廣深高速公路且不對廣深高速公路運營產生任何影響，隧道施工建設采用“大管棚+全斷面注漿+爆破振速控制”組合方式進行施工。

3現場監測與數據分析

3.1現場監測

為了及時收集、反饋和分析周圍環境及支護結構在施工中的變形信息，實現信息化施工，確保施工和周圍環境安全。根據施工圖、設計單位確定的監測內容要求，隧道內每隔5 m設置1個斷面，每斷面布設3個拱頂沉降點，1對凈空收斂監測點；若分臺階開挖，則上、下臺階各設置一對收斂監測點，特殊地段加密(表2)。

地面沉降監測采用數字水準儀及配套銦瓦水準標尺，隧道內拱頂沉降與凈空收斂采用全站儀自由測站法測量。圖1給出了監測點埋設過程。

表2　監測內容表

圖1　監測點埋設示意圖

3.2數據分析

圖2　監測斷面關鍵部位初襯內力隨時間變化特征圖

圖2給出了監測斷面關鍵部位初襯內力隨時間變化特征曲線。由圖2可知：該斷面初支內力在開挖后一段時間內呈現不穩定的變化，但是，在開挖一段時間后，初襯的軸力和彎矩均趨于穩定。該隧道洞內施工完成后圍巖最終趨于穩定。圖3給出了下穿廣深高速小里程隧道拱頂沉降曲線。由圖3可知：(1) 左線小里程拱頂沉降最大值為21.4 mm，位于監測斷面S/Xtt10+785左處；右線小里程拱頂沉降最大值為17.9 mm，位于監測斷面S/Xtt10+780處。(2) 隨著隧道下穿進尺不斷擴大，其各拱頂沉降量逐漸增大，最終達到穩定狀態。(3) 拱頂沉降變化曲線較為分散，拱頂沉降速率突變較小。(4) 左線隧道拱頂沉降量比右線隧道拱頂沉降量大，這是由于右線隧道開挖對左線隧道拱頂沉降產生的施工效應影響所致。

圖4給出了下穿廣深高速小里程隧道圍巖變形曲線。由圖4可知：(1) 圍巖收斂變形量隨時間的增長而增大。(2) 左線最大收斂點為ZS/X010+750，其變形值為8.7 mm；右線最大收斂點為YS/X010+750，其變形值為6.24 mm。(3)隨著下穿距離的增加，其隧道圍巖變形量逐漸增大；同時，左線受到右線開挖的影響，其變形量相對較大。這是由于隧道近距離平行施工所產生的空間效應影響。

圖3　下穿廣深高速小里程隧道拱頂沉降曲線圖

圖4　下穿廣深高速小里程隧道圍巖變形曲線圖

4結語

筆者依據深圳地鐵7號線礦山法隧道下穿廣深高速公路工程，綜合考慮了上軟下硬地層的地質條件，通過對比分析現場監測所得到的結論，揭示了礦山法地鐵隧道下穿既有高速公路的圍巖變形機理與地表沉降規律。通過研究可知：

(1)下穿隧道初支內力在開挖后一段時間內呈現不穩定的變化，但是在開挖一段時間后，初襯的軸力和彎矩均趨于穩定。

(2)隨著隧道下穿進尺不斷擴大，其各拱頂沉降量逐漸增大，最終達到穩定狀態。而左線隧道拱頂沉降量要比右線隧道拱頂沉降量大是由于右線隧道開挖對左線隧道拱頂沉降產生的施工效應影響所致。

(3)隨著下穿距離的增加，其隧道圍巖變形量逐漸增大；同時，左線隧道受到右線開挖的影響，其變形量相對較大。這是由于隧道近距離平行施工所產生的空間效應影響所致。

(4)隧道下穿既有高速公路引起的地表沉降變形基本上分為四個階段，即：初期的微小變形沉降階段、中期的沉降變形劇增階段和變形緩慢階段以及后期變形基本穩定階段。

參考文獻：

[1]王劍晨, 張頂立, 張成平, 房倩, 蘇潔, 杜楠馨. 北京地區淺埋暗挖法下穿施工既有隧道變形特點及預測[J]. 巖石力學與工程學報, 2014, 33(5):947-956.

[2]胡群芳, 秦家寶. 2003-2011年地鐵隧道施工事故統計分析[J]. 地下空間與工程學報, 2013, 9(3):705-710.

[3]曹瑞瑯, 賀少輝, 李子峰. 偏壓富水軟巖大斷面隧道下穿建筑物地層變形及影響分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2012, 31(5):982-990.

[4]李棟, 何興玲, 覃樂, 康勇, 周東平, 郭臣業. 特大跨超淺埋地鐵隧道下穿天橋過程穩定性控制[J]. 巖石力學與工程學報, 2013, 32(S2):3637-3642.

[5]朱正國, 李兵兵, 李文江, 朱永全. 新建鐵路隧道下穿既有鐵路施工引起的地表沉降控制標準研究[J]. 中國鐵道科學, 2011, 32(5):78-82.

周建偉(1964-)，男，四川資中人，工程師，從事施工監測技術與管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-10-23

文章編號:1001-2184(2015)06-0058-03

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV554;TV221;TV223.1;U231+3

作者簡介: