復雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降探討

李學文

(中國鐵建十六局集團第二工程有限公司,天津市 300162)

復雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降探討

李學文

(中國鐵建十六局集團第二工程有限公司,天津市 300162)

隨著現代城市化進程的不斷加快,地下交通軌道網在城市交通建設中的比重不斷加大。城市地鐵隧道的建設必然會打破原來的地下巖土體的平衡狀態,從而構建新的平衡,地表沉降將會是地下軌道交通網建設過程中必然面對的問題。針對復雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降問題進行探討,提出較為有效的解決辦法。

復雜條件;城市地鐵隧道;施工;地表沉降

1　城市交通建設現狀

隨著城市建設進程的加快及現代大都市的發展,城市交通緊張的狀況以及長期擁堵的問題日益嚴重。在城市基礎交通建設過程中,有軌交通占據較為有利的地位。在地下軌道交通網以及高架道路這兩種城市有軌交通的建設過程中,逐漸發現高架道路會引起較大的不利影響,例如沿路噪聲問題、周圍地價貶值問題等。對比之下,地下軌道交通網的建設具有較大的優勢。然而,在地下軌道交通網的建設過程中,主要面臨了對原有地下巖土體穩定性的破壞,對新的穩定性以及平衡性的構建,在此過程中解決地表沉降問題是主要的技術難題「1-3]。

2　復雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降相關問題

以某市某區的地鐵站的隧道工程的建設施工為例。該工程位于兩個街道的交叉路口,其工程沿中街東西向布置,車站計算站臺中心里程為DK17+ 81.667，起訖樁號分別為DK17+880.567～DK18+ 13.8， 全長223.2 m。該地下車站為雙層島式,主體結構的跨度為22 m。有效站臺的中心處地面高程為51 m,軌面深埋為28.25 m,頂拱覆土為8.57 m,底板埋深為26.50 m,隧道寬度為21.59 m。該工程地層表面所覆蓋的土層十分松散軟弱,具有不穩定性因素。在工程勘察中發現,在該工程范圍內有多處地層表現為非原土狀態,明顯被擾動過。經過鉆孔勘測,顯示該地區的地層結構主要分為:晚更新統沖洪積相地層、沖洪積相地層、第四系全新人工堆積層,其土質狀況為礫砂、粗砂、中砂、粉質黏土、素填土,圍巖類別為I 類。場地地層自下而上分別為:可塑粉質黏土,中密-密實圓礫，礴中密-密實礫砂，可塑粉質黏土，中密-密實圓礫，中密-密實中、粗砂，中密-密實礫砂，稍密-中密中、粗砂，可塑粉質黏土，松散-密實雜填土。地層情況較為復雜「4-6]。

2.1隧道施工過程數值模擬技術研究

隧道施工過程數值模擬研究主要是針對工程施工過程中的技術難點通過相關的模擬軟件,進行仿真模擬,選擇最佳的可行方案。目前主要的應用軟件有多種,國內主要采用的有2D-SIGMA、同濟曙光、3D-SIGMA等「7]。這些軟件具有一定的優勢,同時也具有一定的缺陷,還處在不斷的改進與發展過程中。在隧道施工的過程中需要利用數值模擬技術對隧道的支護過程以及開挖過程進行正確的模擬,研究支護的力學效果,進而分析隧道施工引起的地表沉降機理。利用混合法來進行隧道開挖模擬,加載計算分析有限元模型,形成對應的初始應力場,將其再讀入到有限元模型中,經過技術處理后,將位移場值定為零,對施工過程及開挖模擬,得出實際的應力場以及位移場。圖1為挖掘過程示意圖。

可采用洞樁逆作法,先行在地下進行導洞暗挖,完成之后在導洞內施工架設剛性的拱頂縱梁、樁頂冠梁以及圍護邊樁。接下來進行車站頂拱的施工。這樣,待扣拱完成之后,拱頂縱梁、樁頂冠梁以及圍護邊樁這三者將會構成一個拱、梁、樁撐框架體系,并具有承載性能良好、剛度大的特點。在這一穩定的體系下進行向下開挖工作,大大提高作業的安全性,可以有效限制結構外地層的側向位移以及豎向位移,并有效控制地表沉降程度,減少對周圍建筑的不利影響。

圖1　挖掘過程示意圖

2.2復雜群洞隧道問題

在地下隧道的建設與開挖過程中,地下群洞是一種比較復雜但常見的施工情況。這類施工對施工方案的選擇具有較大的依賴性,在群洞的開挖過程中往往會出現地表沉降問題以及圍巖應力重分布的問題,需要對危險的抗壓以及抗剪、受拉作用進行計算分析,對開挖方案進行科學的選擇,才能保持圍巖整體的穩定性,減少地面沉降現象的發生。在隧道開挖施工過程中引起的地表沉降具有普遍性。具體表現為進行開挖卸載的工作中,開挖面土體向隧道內移動所引起的地表沉降、隧道支護結構變形所引起的地表沉降、支護結構背后的空隙閉合所引起的地表沉降、隧道結構因整體下沉所引起的地表沉降。

2.3隧道施工過程中滲流-應力耦合問題研究

在隧道施工過程中滲流-應力耦合問題對隧道排水、支護以及縫隙的填充等方面都具有較大的影響,因此,需要對這一問題進行正確的求解,從而對施工過程中降水與失水對地表沉降的影響進行研究。在含水地層中進行隧道施工,需要對土顆粒骨架之間的水分進行排除,這一措施直接會造成土體內部孔隙水壓力變化以及滲透力作用造成的地表沉降現象。這一現象發生的原理是含水層內地下水位下降,導致土層內液壓降低,增加了粒間應力(有效應力)。另外,在隧道施工的過程中,土體顆粒伴隨著地下水而流失,同樣也會造成地表沉降現象的發生。在隧道開挖的過程中,巖土體會受到較大的擾動作用,土體骨架在改變之后會出現持續的壓縮變形現象,在土體變形的過程中會產生固結沉降的地表沉降現象。由于流塑性黏土以及軟塑性黏土具有靈敏度與空隙比較大的特點,在這一類土體中發生的次固結沉降現象會持續多年以上。這屬于一種典型地層的沉降現象,其總的沉降量的比例最高可達35%。這一地表沉降現象也是隧道開挖與使用過程中需要著重注意的。

3　控制地表沉降措施

(1)嚴格按照下導洞→上導洞→邊導洞→中導洞的小導洞開挖順序進行。下導洞超前上導洞10～20 m的范圍,從而減少群洞效應。先施工的部分與圍巖之間形成具有整體穩定性的受力體系,在后續施工的過程中,對先行施工結構以及圍巖的影響將會大大的下降。

(2)在進行扣拱以及導洞的施工過程中,需要嚴格按照先加固后開挖順序,并及時采用正確的支撐方式,采取小導管超前預注漿措施,保證改良地層的密實膠結性能。

(3)在施工過程中,減少圍巖暴露時間以及暴露面積,實施快掘進、短進尺,注意混凝土的及時噴射,注意封閉成環的時間要盡早,盡量降低導洞對圍巖的影響程度。

(4)在施工過程中,進行回填注漿時,首先需要注意檢查回填注漿的質量,對土體間的孔隙以及初期支護進行及時填充,避免由于空隙的存在而引起地層變形。

(5)將部分開挖的措施應用于扣拱施工中,開挖中盡量保持較小的跨度;對小導管加密工作進行加強措施,從而保證對拱部土體注漿的質量;增加格柵鋼架間距密度,使其符合施工要求;加快每循環尺的施工進度,促進施工周期的縮短。

(6)將計算機模擬預測以及現場監測技術應用到施工過程中,通過仿真模擬,對地表沉降進行有效控制。

4　結語

綜上所述,基于地下交通軌道網在未來城市交通網建設中的發展優勢,結合地下交通軌道網的建設特點,探討復雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降相關問題,主要包括隧道施工過程數值模擬技術研究、復雜群洞隧道問題、隧道施工過程中滲流-應力耦合問題研究。通過分析提出相關的結論以及具體的措施,嚴格控制小導洞的開挖順序,正確進行扣拱以及導洞的施工。注意對圍巖進行施工中的相關處理措施以及掘進方法,提高回填處理過程中回填注漿的質量,采取部分開挖的扣拱施工方式,并將計算機模擬預測以及現場監測技術應用到施工過程中,為復雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降問題的解決提供行之有效的建議,促進城市交通的建設發展。

「1] 吳波，高波.復雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降研究「J].中國鐵道科學，2010 (6):129-131.

「2] 李濤，韓雪峰，黃華，等.深圳富水復合地層地鐵隧道暗挖施工引起地表沉降規律的研究「J].現代隧道技術，2014(2):76-82.

「3] 周誠，周少東，林濤，等.城市地鐵隧道區間淺埋暗挖施工地表沉降控制研究「J].施工技術，2011(10):70-74.

「4] 李金奎，王飛飛，白會人.淺埋暗挖地鐵隧道施工地表沉降規律分析「J].武漢工程大學學報，2012 (10):58-61.

「5] 宋建，樊赟赟，霍延鵬.復雜條件下淺埋暗挖地鐵車站施工地表沉降規律分析「J].現代隧道技術，2012，6(30):88-92,138.

「6] 鄭保才，程文斌，胡國偉.淺埋暗挖法施工近接交叉地鐵隧道地表沉降監測分析「J].鐵道工程學報，2009(1):72-76.

「7] 張頂立，黃俊.地鐵隧道施工拱頂下沉值的分析與預測「J].巖石力學與工程學報，2005(10):1703-1707.

U455

B

1009-7716(2015)12-0199-02

2015-07-21

李學文(1973-)男,天津人,工程師,從事鐵路工程施工管理工作。