淺埋暗挖施工對(duì)地表影響探究

劉靜，田曉艷，何秀貞

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西　西安　710065；2.山東壽光第一建筑有限公司，山東　壽光　262700）

淺埋暗挖施工對(duì)地表影響探究

劉靜1，田曉艷1，何秀貞2

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710065；2.山東壽光第一建筑有限公司，山東壽光262700）

地鐵施工過(guò)程中最大的環(huán)境問(wèn)題就是地表沉降，過(guò)大的沉降對(duì)周邊環(huán)境造成極大的威脅。文章以西安地鐵3號(hào)線(xiàn)延興門(mén)站～咸寧路站區(qū)間淺埋暗挖段為依托，首先通過(guò)FLAC3D對(duì)不同的施工方法引起的地表變形進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)比較研究得出該區(qū)段合理的施工方案，然后針對(duì)該施工方案引起的地表沉降進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，既驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可行性，又總結(jié)得出隧道開(kāi)挖過(guò)程影響地表沉降變形的特征和規(guī)律。

淺埋暗挖；數(shù)值模擬；地表沉降；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

1　概述

隨著城市化進(jìn)程的飛快發(fā)展，城市人口高度集中，交通工具密集［1］，為緩解地面交通壓力，近年來(lái)許多國(guó)家大中城市紛紛興起了大規(guī)模建造地鐵和輕軌的熱潮，開(kāi)發(fā)地下空間。地下工程施工會(huì)引起地層出現(xiàn)不同程度的沉降，由于施工技術(shù)及周?chē)h(huán)境和巖土介質(zhì)的復(fù)雜性，即使采用最先進(jìn)的施工方法，其施工引起的地層移動(dòng)也是不可能完全消除的，所以地表沉降一直是城市地鐵隧道開(kāi)挖過(guò)程中較為關(guān)注的問(wèn)題［2］。針對(duì)該問(wèn)題國(guó)內(nèi)外的大量學(xué)者都進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究，最具代表性的是Rathe Peck早在1969年［3］提出的橫向沉降槽經(jīng)驗(yàn)公式，且已在中國(guó)隧道工程中得到廣泛應(yīng)用［4-7］，國(guó)內(nèi)關(guān)寶樹(shù)等［8］亦對(duì)淺埋暗挖隧道開(kāi)挖過(guò)程中縱向沉降的規(guī)律進(jìn)行了研究。隨著計(jì)算機(jī)方法的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬［9］、人工智能預(yù)測(cè)［10］等己在該領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)在深圳、北京等地的地鐵建設(shè)過(guò)程中，工程人員和學(xué)者們都針對(duì)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)對(duì)地表沉降進(jìn)行了廣泛的研究［11］，為后續(xù)的施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)［12-13］。但由于各地土質(zhì)的具體性和復(fù)雜性，各地的沉降規(guī)律亦有差異，本文研究具有黃土特性的西安城市，首先采用FLAC3D對(duì)各種不同的淺埋暗挖法引起的地表沉降進(jìn)行數(shù)值模擬，綜合考慮各種因素，得出合理的施工方案，然后對(duì)其進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，獲得了可靠的動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究隧道開(kāi)挖過(guò)程中地表變形的規(guī)律，分析產(chǎn)生沉降的原因及建議采取有效措施，進(jìn)而為類(lèi)似土程施土減小對(duì)周邊環(huán)境的影響提供借鑒。

2　工程概況

西安地鐵3號(hào)線(xiàn)延興門(mén)站～咸寧路站區(qū)間沿金花南路地下布設(shè)，區(qū)間隧道采用馬蹄型斷面，起訖里程為Z（Y）DK28+089.638～Z（Y）DK28+633.229，左線(xiàn)長(zhǎng)544.917m，右線(xiàn)長(zhǎng)543.591m，金花南路為南北向交通干道，地面車(chē)流及人流密集，道路兩旁管線(xiàn)林立。

3　施工開(kāi)挖方案的優(yōu)選

采用FLAC3D軟件對(duì)該段區(qū)域雙線(xiàn)隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬了淺埋暗挖法4種不同工況對(duì)地表沉降的影響，結(jié)果如圖1、2所示。

圖1　隧道開(kāi)挖引起的地層豎向位移云圖

圖2　四種工法施工引起的地表沉降曲線(xiàn)圖

結(jié)果表明：開(kāi)挖后隧道上方土體沉降大致呈對(duì)稱(chēng)分布，地表最大沉降值發(fā)生在兩隧道洞室的頂部，左線(xiàn)洞室上方沉降略大，所以在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)時(shí)刻監(jiān)控其變化，且開(kāi)挖后及時(shí)施做支撐，防止其頂部變形過(guò)大從而影響工程的正常施工。4種工法中上下臺(tái)階法引起的地表沉降最大，環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法次之，CRD工法引起的地表沉降較小，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最小。雖然CRD和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的沉降小，但施工工藝復(fù)雜且成本較高，所以本區(qū)段工程綜合考慮各種因素，最終采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工（圖3所示），開(kāi)挖施工工序：超前小導(dǎo)管預(yù)注漿→拱部環(huán)形開(kāi)挖→拱部環(huán)形初期支護(hù)→核心土開(kāi)挖（必要時(shí)施工臨時(shí)仰拱）→開(kāi)挖下臺(tái)階→下臺(tái)階初期支護(hù)→拆除臨時(shí)仰拱→二次襯砌，圖中1、2、3、4為開(kāi)挖順序，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ為支護(hù)順序。

圖3　環(huán)形臺(tái)階留核心土法施工工序

4　地表沉降監(jiān)測(cè)與分析

地表沉降觀測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)可采用深層沉降點(diǎn)和淺層沉降點(diǎn)。由于該地鐵隧道區(qū)間位于交通特別繁忙地段，且不允許進(jìn)行鉆孔，可采用道路淺層設(shè)點(diǎn)的方法。由于本次初次測(cè)量時(shí)隧道左線(xiàn)施工已經(jīng)滯后于隧道右線(xiàn)100多米，所以此次分析僅考慮隧道左線(xiàn)開(kāi)挖對(duì)地表沉降的影響。

4.1縱向地表沉降分析

選擇測(cè)點(diǎn)L2-1、L4-2、L6-3、L8-2進(jìn)行分析，隧道左線(xiàn)單洞開(kāi)挖過(guò)程中洞頂?shù)孛娉两惦S掌子面的變化曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4　沉降隨掌子面距離變化圖

由圖4知，隧道開(kāi)挖引起的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降大致可分為如下四個(gè)階段。

①超前微小下沉階段

當(dāng)工作面開(kāi)挖到距測(cè)點(diǎn)距離相差-3D～1D時(shí)，地鐵開(kāi)挖即對(duì)地表產(chǎn)生影響，沉降量約占總沉降量的5%～15%。

②急劇變形階段

當(dāng)隧道工作面在1D～3D范圍內(nèi)時(shí)，地表變形快速增長(zhǎng)，該段沉降量約占總沉降量的55%～65%，速度的最大點(diǎn)在開(kāi)挖工作面附近。

③緩慢變形階段

當(dāng)隧道工作面在3D～5D范圍時(shí)，變形速率減緩，該段沉降量約占總沉降量的15%～20%。

④穩(wěn)定變形階段

當(dāng)隧道工作面超過(guò)5D后，沉降增長(zhǎng)緩慢，增長(zhǎng)速度變小，但沉降變化不大，趨于穩(wěn)定。該段沉降量約占總沉降量的5%。

4.2橫向地表沉降分析

為便于分析，該區(qū)段研究了斷面ZDK28+172.425等6個(gè)斷面，由于各監(jiān)測(cè)斷面隨隧道掌子面的開(kāi)挖沉降發(fā)展趨勢(shì)變化一致，故選取ZDK28+172.425斷面進(jìn)行具體分析，如圖5所示。

圖5　斷面ZDK28+172.425地表沉降曲線(xiàn)隨時(shí)間變化圖

由圖5知，隧道開(kāi)挖初期幾天，左線(xiàn)隧道開(kāi)挖掌子面離隧道較遠(yuǎn)，其沉降變化較小，7月14號(hào)時(shí)左線(xiàn)隧道開(kāi)挖至該斷面下方，地表出現(xiàn)較大沉降。隨著開(kāi)挖掌子面的進(jìn)一步推進(jìn)，地表沉降變化發(fā)展迅速，至8月25日，右線(xiàn)掌子面遠(yuǎn)離該斷面，地表沉降變形趨于穩(wěn)定。從沉降曲線(xiàn)的輪廓來(lái)看，基本接近于正態(tài)分布，基本符合Peck在《state of the art report》報(bào)告中提出的沉陷槽形狀。

5　結(jié)論

西安地鐵3號(hào)線(xiàn)延興門(mén)站～咸寧路站區(qū)間屬于西安黃土梁，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬淺埋暗挖法4種工況對(duì)地表沉降的影響，綜合分析采用環(huán)形臺(tái)階預(yù)留核心土法進(jìn)行施工，并對(duì)該法引起的地表沉降變形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤監(jiān)測(cè)，分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出隧道開(kāi)挖過(guò)程影響地表沉降變形的特征和規(guī)律。結(jié)果表明：

①通過(guò)詳細(xì)的前期調(diào)研和勘測(cè)，掌握隧道開(kāi)挖地質(zhì)情況和周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，選擇合理的施工方案，有效控制了地表的沉降；

②環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施土，測(cè)點(diǎn)的影響范圍為-3D～5D，且在1D～3D范圍內(nèi)時(shí)，地表變形快速增長(zhǎng)，沉降量約占總沉降量的55%～65%；

③地表的橫向沉降槽曲線(xiàn)符合Peck理論，即曲線(xiàn)近似呈正態(tài)分布；

④對(duì)地表沉降進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，獲得可靠的動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)施土單位采取有效控制措施以減小地表沉降變形。

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U231+.3

A

1007-7359（2016）04-0135-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.054

大型儲(chǔ)油罐地基處理技術(shù)研究

劉靜（1975-），女，河南焦作人，長(zhǎng)安大學(xué)博士研究生；講師，主要從事土木工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)和科研工作。