軟巖層隧道開挖地表沉降分析

(華北科技學院 河北 廊坊 065201)

一、引言

近年來,我國城市軌道交通行業發展迅速，截至2018年初，我國內地已有32個城市開通運營城市軌道交通，運營總里程超過4000公里；預計到2020年末，全國城市軌道交通運營總里程將超過7000公里。現在已開工建設軌道交通的有53個城市，規劃建設規模超過9000公里，在建規模約5770公里，北京、上海、廣州等大城市已跨入城市軌道交通網絡化運營的時代。北京地鐵在“十三五”期間將新建西郊線、S1線、燕房線、17號線、7號線東延、19號線、新機場線等線路，北京已建成世界第二大軌道交通系統。本文通過對比開挖及支護順序對地面沉降進行分析，由此可為類似隧道工程的沉降預測及環境安全控制提供參考，同時對豐富同類工程案例、完善隧道設計理論具有重要意義。

二、工程概況

某工況斷裂以南構造區，處于三水斷陷盆地東延部分，主體構造走向是東西向，其次是北西向，由中生界白堊系構成的東西向比較寬闊的褶皺和志留系及喜馬拉雅期形成的一系列北西向斷層所組成，是繼承性構造。分布較大厚度的軟土，其物理力學性能差-較差，具有強度較低、壓縮性較高等特點，在上部荷載或震動作用下易產生固結變形、震陷，引起地面沉降，導致路面、房屋開裂等地質災害。

第四系以人工填土、海陸交互相淤泥、淤泥質土及砂層、粘土層和殘積土為主。軟土呈層狀分布，砂層一般含有粘粒，顆粒級配不均，松散～稍密為主，為輕微～中等液化土層，透水性中等。海陸交互相粘土和殘積土一般為可塑至硬塑狀態，為微透水層。下伏基巖為第三系碎屑巖、元古界混合花崗巖、志留系花崗巖，各風化帶均有揭露，裂隙稍發育。第四系覆蓋層厚，軟土較發育，砂土有液化趨勢。屬巖土工程條件復雜地段。粉質粘土—主要為粉質粘土，局部為粘土、粉土，主要由粉粘粒組成，含少量砂粒和粉粒。以可塑狀為主，稍見軟塑狀，干強度及韌性中等。本層層厚0.80～3.40m，承載力特征值為140～180kPa。中粗砂層—本層含少量黏粒，稍密-中密，本層層厚0.70～10.30m。承載力特征值為150～200kPa。

模型上覆巖層為黏土層，厚度3米，隧道在砂巖層，厚度12米。隧道中心距地表10米。施工前對擬定的方案進行數值模擬分析，若施工方案不滿足地表沉降小于30mm的要求，需要超前深孔注漿的方式對地層進行加固。

三、數值模型及方案

采用FLAC3D有限差分法求解非常適合模擬非線性問題和大變形問題。假定巖土是均勻多孔介質，采用摩爾庫倫本構模型，具體材料參數詳見表1。不考慮土體蠕變效應。模型上層3米為黏土，下層為砂巖，砂土層12m厚。模型四個側面及表面限制位移和速度，地表為自由面。

表1 土層物理參數

數值模擬中,巖土體在自重和附加荷載作用下固結沉降,達到平衡,首先進行既有隧道開挖,得到初始地應力,而后進行新建隧道盾構穿越施工模擬。對于新建隧道盾構施工過程的動態模擬,用改變單元材料的方法來反映盾構的向前推進,被開挖的單元用剛度極小的單元代替,而對應于盾殼、管片及注漿材料的位置分別將單元剛度用鋼、管片和漿液的剛度替換。

四、計算結果分析

(一)隧道開挖沉降

隧道開挖進尺為1.2米，隧道開挖圍巖等級為VI，襯砌厚度0.5米，第一次開挖后，隧道側邊和頂板沉降曲線如圖1、圖2所示

圖1 隧道頂板位移

圖2 隧道側邊位移

(二)既有隧道襯砌應力

采用襯砌混凝土襯砌，襯砌0.5m，一般形變在掌子面的3-5倍范圍內，隧道橫斷面上的襯砌豎直位移最大值僅為10.7mm而變形更小,因此隧道襯砌在環向和徑向的應力變化量很小。隧道以縱向沉降變形為主,且為不均勻沉降,使既有隧道縱向上產生較大曲率變形,因而隧道縱向的正應力變化較大，見圖3-5。

圖3 襯砌后隧道沉降

圖4 襯砌節點形變

圖5 襯砌單元應力

五、結論

(1)本文對軟巖中隧道開挖進尺進行了分析，在隧道中開挖進尺過大容易發生坍塌，應進行注漿加固。結果表明，開挖進尺對地面沉降的影響顯著，總體看支護結構能有效減小水平位移量、地表的豎向沉降。

(2)改變進尺掘進時，需要及時進行支護，利用有限元模擬軟件lac3d對隧道開挖進行模擬，變形模擬結果說明，出于安全考慮，該土質不適于全斷面開挖，應以臺階法效果更好。支護體系在控制頂板變形方面效果十分明顯，完全滿足沉降要求。