地鐵車站暗挖施工地層變位預測與控制研究

謝鵬

摘 要：本文主要根據(jù)一些準確的設計調(diào)研和文件提供，總結出暗挖地鐵車站施工過程當中，應對地層的變化所應用的一系列預測和控制步驟的原理，并且根據(jù)專業(yè)化的數(shù)據(jù)分析方法描述出施工過程當中最為關鍵的施工步驟，使得最終地層沉降量趨于最小，滿足城市復雜環(huán)境條件下的施工要求。

關鍵詞：淺埋暗挖；預測；控制；變位分配原理

引言：

由于對城市地下空間的過度開發(fā)和利用，造成了一系列的問題。例如：隨著地下工程數(shù)量的不斷增加，城市隧道施工引起地表沉降的一系列問題也隨之出現(xiàn)。而城市隧道施工工程往往分布于建筑物道路以及地下管道分布較為密集的地區(qū)，一旦該地區(qū)出現(xiàn)地表沉降問題，會引起各種環(huán)境公害問題的不斷增加。因此，相關的部門和施工管理者，要嚴格把控城市隧道施工工程，保證在對區(qū)內(nèi)建筑物沒有影響的前提下，進行城市隧道建筑工程。

一、地層變位分配控制的原理以及應用模型

（一）地層變位分配控制原理

對于地下隧道施工而言，特別是對于淺埋暗挖型大斷面式的施工，具有多種復雜的施工工程和系統(tǒng)工程，從整個工程開始到結束都是一種動態(tài)的、隨環(huán)境變化的施工過程，整個施工過程會應用各種施工工藝，涉及多道施工工序。因此，淺埋暗挖型大斷面式的施工對于地表沉降問題的影響是日積月累的，是一個不斷積累的過程。根據(jù)地表沉降問題的這種特性，可以應用變形分配控制的方法解決該問題。采取將地表沉降控制標準分解到每個施工步驟當中的方法，規(guī)定每個施工步驟擁有標準的控制指標以及施工指標，將地表沉降問題，從每一個單個的步驟的角度出發(fā)，做到嚴格控制每個單個步驟，實現(xiàn)在每個細節(jié)當中解決地表沉降問題，從而在整體上保證地表沉降問題不再出現(xiàn)，使得施工工程的安全管理得以落實。

地層變位的變形分配控制方法，在實際應用的過程中，綜合預測變形、規(guī)劃變形與控制變形為一體，能夠貫穿整個隧道施工工程的過程。落實好每個階段和施工工藝的工作，就可以真實在實際施工過程中實現(xiàn)變形控制技術的應用，將地表變形或周邊有建筑物的地表變形控制在合理的范圍當中。

（二）計算機模型的應用說明

地下隧道施工工程當中所應用的計算模型的計算過程主要采取FLAC的方式進行，是一種以三維方式進行顯函數(shù)有效差分的程序，能夠通過利用各種節(jié)點的位置移動，結合連續(xù)位移的應用條件，完成對于連續(xù)介質(zhì)的變形分析，這種變形分析往往是非線性的。

計算模擬的平面圖，在水平范圍內(nèi)一般長達200米左右，模型的上部位于地表的最淺層，并且沿著地下隧道工程縱向，來獲取模型的單位長度。計算模型的側面和底面均為位于界面，而模型的側面只能夠應用水平方向上的位移，而模型底面則只能夠應用垂直方向上的位移，針對側面和底面模型的上界面依然是地面，而且一般為自由面。整體模型采用15個楔型的單元節(jié)點，并且根據(jù)各個節(jié)點的不同性質(zhì)可以劃分為不同的單元。

隧道的土層由上至下依次為：雜填土層，厚度約為1.5米左右；粉土層，厚度約為5.3米左右；粉質(zhì)黏土層，厚度約為4.1米左右；粉細砂層，厚度約3.2米左右；卵石層，厚度約為7.2米左右。

計算模型的假設過程一般分為五個步驟：第一，選擇材料要用專業(yè)的衡量準則，選擇優(yōu)質(zhì)化的應用材料，針對于大變化的地層變形預測需要應用變形模型的計算方式。第二，所謂模型的假設過程就是，對于地表和各階層的土層順序進行假定，規(guī)劃出具有均衡質(zhì)量的水平分布模式。第三，完成施工最初的開挖工序。第四，隧道襯砌步驟應用單元模擬的施工技巧。第五，要選擇應變力較強的地層和材料，使得應變力處于塑料彈性的范圍當中。

二、暗挖施工地層變形分配的預測方案與落實

（一）地層變形分配的方案

應用FLAC的有限差分程序，可以在實際的暗挖車站測動施工過程當中應用，進而實現(xiàn)對實際施工過程當中的數(shù)據(jù)進行模擬，做到對施工所引起地層變形的程度進行提前的預測，實現(xiàn)工程開始之前的預測，并根據(jù)這種數(shù)據(jù)模擬制定相應的施工方案。在各種施工步驟當中，因初步施工開挖所產(chǎn)生的地表沉降占整個的地表沉降問題的很大部分，并且第一部的開挖步驟所占的百分比最大。并且對于各個導洞進行開挖所產(chǎn)生的地表沉降，也是最終產(chǎn)生地表沉降問題的主要部分，也是最容易控制地表沉降問題的核心部分，當洞側開挖完成二襯施作之后對于最終產(chǎn)生沉降的影響同樣占很大比例。為了控制這一部分的地表沉降問題，應該主要針對側洞施工，所產(chǎn)生的變形進行相應的控制措施，完成變形控制到目標。

（二）變形分配方法的落實與具體監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析

在去除地表觀測當中出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)之后，結合每一個斷面的平均地表沉降數(shù)據(jù)整體趨勢，從整體上來看，每一個具體的施工步驟所占地表沉降的百分比，基本上與通過專業(yè)程序方法模擬出來的數(shù)據(jù)預測結果相一致，雖然在個別的施工步驟預測結果對比上有所差別，但并不影響數(shù)據(jù)的整體吻合性。對于數(shù)值分析預測具有重要意義的施工步驟，需要管理人員在施工過程當中密切關注，并且增強施工力度，保證施工的正常進行。例如：由于在施工開挖的步驟當中會經(jīng)過粉細砂層，往往會導致地表沉降的預測與實際的數(shù)值有很大的出入。從整個施工過程的角度來看，專業(yè)化程序數(shù)據(jù)模擬的應用方法，在很多程度上解決了地表沉降的問題，并且基本實現(xiàn)了對于地表沉降問題的控制目的，完成了沉降從預期監(jiān)測到施工過程的最終目標。

現(xiàn)階段，由于各種外界環(huán)境的影響，以及各種地層參數(shù)及數(shù)據(jù)的誤差，往往會使得專業(yè)化的數(shù)據(jù)模擬，在進行預測施工沉降的過程中出現(xiàn)較大的偏差。經(jīng)過多個施工項目的經(jīng)驗積累，可以得出在進行多個施工步驟同時進行的過程中，對于地表沉降問題所涉及到地層參數(shù)沒有較大的影響，在多工序施工過程當中，地層參數(shù)往往具有較強的穩(wěn)定性。因此，利用這一特征，可以通過應用總體施工過程以及控制目標，來完成施工步驟的定量分配，將數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控與施工步驟緊密的聯(lián)系在一起，并且及時的將監(jiān)測數(shù)據(jù)反映給相應的施工負責人，實現(xiàn)施工過程的信息化和數(shù)字化，提高施工工程的建設效率，同時減少地表沉降量過大的問題。

（三）在隧道施工過程當中的反饋控制方法

為了更加完美地實現(xiàn)整個隧道工程的地層沉降問題的處理，以及地層變位的分配與控制，需要針對于整個施工過程進行詳細地勘測和預測，針對預測變形、規(guī)劃變形以及怎樣做到完美控制變形三個方面進行詳細的研究和分析，并且在這個基礎上，針對于各個主要環(huán)節(jié)包含預測、勘測、監(jiān)測以及控制，從而有目的性、有針對性地應用各種地層變形控制的技術方案和應用措施。比如：對于隧道工程當中的超前注漿大、小管棚的支護問題，需要滿足各種類型的管線，以及隧道的最終變形控制量處于45毫米左右的核心位置。

結束語：

綜上所述，在隧道工程施工的過程當中，應用變形分配控制原理改善地表沉降問題，需要落實到每一個施工步驟當中，切實地保證施工步驟與施工標準相符合，在動態(tài)管理和動態(tài)施工上，需要較為標準地完成地表變形的嚴格控制。運用專業(yè)化的程序，應用數(shù)據(jù)模擬的方法，完成對施工之前變位的分階段預測，并且隨時根據(jù)實際情況調(diào)整相應的施工策略和施工方法，調(diào)整支護方法以及數(shù)據(jù)參數(shù)，以更加優(yōu)質(zhì)的方法來控制地表沉降問題。

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