淺埋大跨度變截面隧道地層沉降規(guī)律及控制技術(shù)

劉 洋 劉建美

(山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 臨沂 276000)

淺埋大跨度變截面隧道地層沉降規(guī)律及控制技術(shù)

劉 洋 劉建美

(山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 臨沂 276000)

依托深圳地鐵7號(hào)線變截面施工區(qū)段工程實(shí)例，采用數(shù)值模擬方法，研究了淺埋大跨度變截面隧道施工地層沉降規(guī)律，結(jié)果表明，地層分界處對(duì)開挖所造成的應(yīng)力分布有比較大的影響，表現(xiàn)為分界處的應(yīng)力相對(duì)較小；變截面隧道開挖應(yīng)力集中區(qū)域主要在兩側(cè)拱腰部位以及變截面處，最后提出了變截面隧道施工控制技術(shù)。

變截面隧道，地鐵施工，數(shù)值模擬，關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

在目前日趨火熱的城市地鐵建設(shè)中，地層沉降控制一直是衡量施工質(zhì)量的因素，由于城市施工環(huán)境復(fù)雜，對(duì)地層沉降有較高的要求。由于地鐵車站與區(qū)間隧道均處于地下，隨著地鐵線路的變化，隧道斷面形式也隨之變化。變截面處圍巖力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，地層沉降規(guī)律也隨截面變化有所不同。特別是在淺埋大跨度變截面隧道中，由于隧道開挖引起的地層沉降較大，此類施工條件下的隧道地層沉降規(guī)律和控制技術(shù)具有較高的研究?jī)r(jià)值。

1 工程概況

深圳地鐵7號(hào)線深云村站—農(nóng)林站區(qū)間與安托山停車場(chǎng)出入線路段需下穿北環(huán)大道5次、廣深高速4次、安托山工業(yè)廠房、老舊雨水箱涵及側(cè)穿鴻新花園。本子課題依托深圳地鐵7號(hào)線深云站—安托山站區(qū)間左線DK9+619.700～DK9+700.546，右線DK9+618.462～DK9+700.600所處的隧道工程為依托，重點(diǎn)研究上軟下硬地層超淺埋大跨度變截面隧道圍巖失穩(wěn)與控制施工關(guān)鍵技術(shù)。該段下穿區(qū)域地質(zhì)條件也決定了該段施工難度較大。

2 有限元模擬

2.1 模型建立

采用ABAQUS三維有限元軟件對(duì)上述區(qū)域進(jìn)行計(jì)算模型，三維模型圖如圖1所示，模型地表采用地勘中給定的天然地表，有輕微的起伏，地層根據(jù)地勘中的相關(guān)參數(shù)確定，地層起伏比較大而且不規(guī)律，為計(jì)算考慮，采用折線型地層線，模型的尺寸為橫向?qū)挾葹?70 m，縱向長(zhǎng)度為79.846 m，高度為90 m左右，初期支護(hù)與錨桿示意圖如圖2所示。

2.2 參數(shù)取值

根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告以及相應(yīng)數(shù)值模擬的經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算參數(shù)選取情況如表1所示。

表1 材料參數(shù)取值

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

1)圍巖應(yīng)變分析。開挖完成之后典型變截面1和典型變截面2的圍巖豎向和橫向的變形云圖分別如圖3a)和圖3b)所示。從圖3中可以看出：

a.由于地層材料體積模量和粘聚力比較小，而初期支護(hù)相對(duì)而言參數(shù)比較大，從而造成拱底的隆起量比較大，而拱頂?shù)某两当容^小；b.在橫向方向上的位移變形呈現(xiàn)出X型，隧道在拱腰的變形比較大。

2)圍巖應(yīng)力分析。圖4a)和圖4b)分別為開挖完成后典型變截面1和典型變截面2的圍巖的最大主應(yīng)力云圖和最小主應(yīng)力云圖。參考圖4可得到以下結(jié)論：

a.當(dāng)隧道開挖遇到地層分界處，尤其是兩個(gè)地層的材料參數(shù)相差比較大，隧道開挖會(huì)使地層分界處的最大主應(yīng)力相對(duì)分解出的其他位置要小一些。b.隧道開挖后拱底所承受的最大主應(yīng)力比較大，變截面處在拱底的最大主應(yīng)力相對(duì)比較大。

3 過渡斷面施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 小斷面過渡到大斷面

變截面隧道由于前后區(qū)間隧道斷面形式的差異，施工期間須盡可能減少圍巖變形。因此，施工中采用每步抬高格柵，以在一定距離內(nèi)過渡到大斷面。施工工藝示意圖如圖5所示，實(shí)際工況為：由3—3小斷面過渡至4—4大斷面，通過抬高格柵的方法進(jìn)行過渡施工，分6步進(jìn)行，每步抬高量保持相等。為簡(jiǎn)化施工工藝，在調(diào)高3—3斷面的過程中主要利用邊墻直線段來進(jìn)行控制，采用20a工字鋼在挑高段斷面中間位置設(shè)立臨時(shí)中仰拱以減小總體變形量。在具體施工中，應(yīng)提前施作3—3斷面超前導(dǎo)管，根據(jù)本文工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用長(zhǎng)2 m，間距200 mm的超前小導(dǎo)管。與此同時(shí)，為了保證小導(dǎo)管不影響挑高格柵的安裝，應(yīng)使小導(dǎo)管具有一定的傾斜角度，這里取40°，采用水泥—水玻璃漿液。實(shí)際施工過程中應(yīng)快開挖、緊支護(hù)，以減少固結(jié)沉降量。

3.2 大斷面過渡至小斷面

大斷面過渡到小斷面施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，其施工示意圖如圖6所示，圖6中8—8斷面為大斷面隧道，開挖至變截面里程時(shí)，應(yīng)對(duì)掌子面加以封端施工。封端施工主要包括施作水平格柵和垂直方向的雙層鋼筋拉桿，掛網(wǎng)并噴混凝土進(jìn)行封端。為保證施工安全，應(yīng)在小斷面隧道馬頭門位置預(yù)置加強(qiáng)暗梁。在開挖9—9和10—10小斷面隧道馬頭門掌子面之前，需要施作超前小導(dǎo)管，注漿漿液采用水泥—水玻璃漿液，隨后再進(jìn)行9—9和10—10斷面的開挖。

4 結(jié)語

1)地層分界處對(duì)開挖所造成的應(yīng)力分布有比較大的影響，表現(xiàn)為分界處的應(yīng)力相對(duì)而言會(huì)比較小一些。變截面隧道開挖應(yīng)力集中區(qū)域主要集中在兩側(cè)拱腰部位以及變截面處。

2)數(shù)值模擬中拱底隆起量比較大，拱頂?shù)某两底冃伪容^小，兩側(cè)拱腰部分的隆起變形比較大。

3)隧道開挖后拱底所承受的最大主應(yīng)力是比較大，變截面處在拱底的最大主應(yīng)力相對(duì)比較大。

4)變截面隧道開挖方向不同時(shí)，施工工藝差別較大，施工過程中應(yīng)合理選擇施工方向。

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On the stratum settlement and controlling measures of long span changing section shallow metro tunnel construction

Liu Yang Liu Jianmei

(The7thInstituteofGeology&MineralExplorationofShandongProvince,Linyi276000,China)

Taking the changing section of Shenzhen subway line 7, numerical simulatiion method, the stratum settlement law of the shallow buried large-span tunnel with variable cross section is studied. The result shows, the excavation of formation interfaces has a great effect on the stress distribution, the stress on the formation interface is smaller. The focal point of stress on changing section tunnel are mainly located on the haunch and the section. Finally proposed the variable cross-section tunnel construction control technology.

changing section shallow tunnel, metro tunnel construction, numerical simulation， key technology

1009-6825(2017)03-0165-02

2016-11-20

劉 洋(1984- )，男，碩士，工程師； 劉建美(1982- )，女，工程師

U456.3

A