層狀黃土中淺埋隧道暗挖誘發(fā)的變形特征分析*

范晨輝，張洪耀，高 翔，武新平，連 京，張 勛

(1.中鐵七局集團(tuán)西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710065； 2.長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

0 引言

控制地表沉降是地鐵淺埋隧道施工需要解決的關(guān)鍵問題[1-2]。由于各城市區(qū)域工程地質(zhì)條件差別較大，地層條件非常復(fù)雜，很難通過理論分析準(zhǔn)確預(yù)測地表沉降，因此，有必要建立能夠有效預(yù)測隧道暗挖施工誘發(fā)地層變形的方法。

大量研究[3-7]運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D對淺埋暗挖隧道施工過程中的地表沉降、隧道圍巖周邊位移和塑性區(qū)的變化特征進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。王旭東等[8]則利用有限元法對淺埋暗挖隧道工程覆跨比與地層移動及隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的聯(lián)系進(jìn)行了研究。舒東利等[9]通過建立三維數(shù)值模型及監(jiān)測結(jié)果分析，研究了隧道不同開挖進(jìn)尺對地層變形特征的影響。而張海龍等[10]、丁克偉等[11]還利用MIDAS軟件對比分析了隧道不同淺埋暗挖施工工法下地表沉降特征。可見，現(xiàn)有研究采用數(shù)值計算軟件對復(fù)雜地層條件下淺埋暗挖隧道施工誘發(fā)的圍巖變形特征進(jìn)行了深入探討，但仍然缺乏對層狀黃土中地鐵淺埋暗挖隧道施工工程案例的分析，并且由于新建地鐵工程的差異性，需要對具體隧道圍巖變形特征進(jìn)行具體分析。

本文以西安市典型黃土地層中建設(shè)的5號線一期青龍寺—岳家寨區(qū)間隧道工程為背景，在原位監(jiān)測分析的基礎(chǔ)上，采用有限差分軟件FLAC3D建立淺埋暗挖隧道超前支護(hù)、開挖、襯砌三維數(shù)值分析模型，著重分析隧道暗挖施工對地表沉降、隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力與變形及超前注漿導(dǎo)管支護(hù)沉降變化特征的影響機(jī)理，以便為黃土地區(qū)淺埋暗挖隧道施工提供參考依據(jù)。

1 工程概況與現(xiàn)場監(jiān)測

西安市地鐵5號線一期工程青龍寺—岳家寨區(qū)間隧道采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工，循環(huán)開挖進(jìn)尺為0.5m。隧道為標(biāo)準(zhǔn)的馬蹄形斷面，尺寸為寬×高=6.8m×6.52m(A型)/6.65m(B型)，隧道全長約1.3km。施工時先在拱部150°范圍內(nèi)布設(shè)單排注漿導(dǎo)管超前支護(hù)，管長3.0m，直徑42mm，環(huán)距0.3m，縱距1.5m。開挖后及時布置直徑8mm的鋼筋網(wǎng)片(150mm×150mm)，初期支護(hù)為250mm厚C25網(wǎng)噴早強(qiáng)混凝土，二次襯砌為350mm 厚的C35模筑鋼筋混凝土。

1.1 測點(diǎn)布置

為了及時掌握隧道暗挖施工誘發(fā)的地表、圍巖及隧道拱頂沉降等的變化規(guī)律，以便沉降超過預(yù)警值時采取有效的控制措施，及時調(diào)整施工工藝，確保暗挖施工安全，根據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，采用水準(zhǔn)儀、全站儀等設(shè)備沿隧道暗挖路線進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測，具體監(jiān)測點(diǎn)布置如圖1 所示，其中，地表沉降橫向監(jiān)測斷面垂直于隧道軸線，監(jiān)測斷面間距為50～100m，而沿隧道軸線方向的拱頂監(jiān)測點(diǎn)間距為15m。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)布置

1.2 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

地表沉降監(jiān)測曲線如圖2所示，在隧道暗挖施工過程中，在隧道中心處對應(yīng)的地表沉降隨時間增長較快，而在垂直于隧道軸線的橫斷面上，距離隧道中心越遠(yuǎn)，地表沉降越小，例如，在監(jiān)測的第70天，距離隧道中心0，10，20m處地表累計沉降量分別為19.68，13.4，8.1mm。

圖2 各測點(diǎn)地表累積沉降量

地表沉降速率變化曲線如圖3所示，隧道暗挖施工期間，與隧道軸線垂直的橫斷面上不同位置處的地表沉降速率均在(-1.0～1.0)mm/d變化。結(jié)合圖2，3的分析說明在黃土地層中采取超前注漿導(dǎo)管支護(hù)、0.5m進(jìn)尺暗挖以及及時初支襯砌的施工方案能夠有效控制隧道施工誘發(fā)的地表沉降，不會對地面建筑物、道路等造成較大影響。

圖3 地表沉降速率

隧道拱頂沉降監(jiān)測曲線如圖4所示，隧道暗挖施工誘發(fā)的起始位置處拱頂沉降在-0.4～2.0mm變化，而由于循環(huán)開挖沉降的累積，距起始位置100m處的隧道拱頂沉降明顯增大，監(jiān)測期間在-2.5～5.2mm變化，然而這仍然遠(yuǎn)小于《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中15mm控制值的規(guī)定，這說明在黃土地層中實(shí)施的循環(huán)進(jìn)尺為0.5m的淺埋隧道暗挖施工方案對隧道結(jié)構(gòu)的變形影響非常小，能夠確保隧道結(jié)構(gòu)安全。

圖4 隧道拱頂沉降

2 數(shù)值模擬

2.1 模型選取

考慮隧道縱向開挖施工的對稱性，采用有限差分軟件FLAC3D，建立層狀黃土中淺埋隧道半模型，進(jìn)行隧道暗挖施工三維數(shù)值模擬計算，如圖5所示。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值對比計算，模型橫向尺寸取為30m，約為隧道半徑的10倍，可忽略邊界對數(shù)值計算結(jié)果的影響。豎向尺寸按表1所示地層尺寸參數(shù)建模，模型縱向尺寸取為210m。計算時，模型底部及四周約束法向位移，上表面為自由面。

圖5 三維有限元計算模型

2.2 參數(shù)選取

在計算模型中，將隧道襯砌與超前注漿小導(dǎo)管分別設(shè)置為殼單元和索單元模擬，襯砌及超前支護(hù)結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型采用彈性模型。根據(jù)勘察結(jié)果，僅有兩條活動性較弱的地裂縫穿過該區(qū)間隧道，并且隧道施工前及過程中采用管井降水至底板下2.9～3.0m，故施工不受地裂縫及地下水影響。隧道圍巖從上到下主要為雜填土、素填土、新黃土、古土壤及老黃土，層狀地基均設(shè)置為實(shí)體單元，本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，土層參數(shù)如表1所示。

表1 施工區(qū)內(nèi)主要地層參數(shù)

計算時，根據(jù)模型參數(shù)中的彈性模量E和泊松比ν按式(1)～(2)分別換算為體積模量K和切變模量G。

(1)

(2)

2.3 模擬方法

采用FLAC3D軟件內(nèi)置的空模型模擬隧道開挖過程，參考淺埋暗挖法施工經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置的施工進(jìn)尺為0.5m，并且數(shù)值模擬過程中遵循先超前支護(hù)注漿導(dǎo)管，然后暗挖，再襯砌混凝土的施工步驟。

3 計算結(jié)果分析

3.1 隧道暗挖誘發(fā)的地表沉降變化特征(見圖6)

圖6 隧道暗挖誘發(fā)的地表沉降分析

由圖6a可知，層狀黃土中隧道暗挖誘發(fā)的地表沉降隨著開挖深度的增大先快速增大而后趨于平穩(wěn)，基本呈兩階段變化特征，初始快速增加段對應(yīng)的開挖深度約為0.8m。同時，由圖6b，6c可知，隧道暗挖施工到100m范圍時，100m處地表沉降會有一個較為顯著的增加過程，沿隧道縱向的影響范圍約為39m，不超過隧道寬度的7倍。

同時，在與隧道縱向中心線垂直的橫截面上，距離隧道中心的距離越大，地表沉降越小。例如，由圖6b可知，隧道開挖到100m范圍時，100m處橫斷面上距離隧道中心0，5，10，20m時地表沉降分別為26.9，25.7，23.7，23.5mm，這與隧道橫向地表沉降常呈典型的 “V”字形對稱分布的一般結(jié)論是類似的[10,12]，并且，在橫向距離隧道中心20m范圍內(nèi)地表沉降小于規(guī)范限定值30mm，這與圖2所示實(shí)際監(jiān)測值分析結(jié)論是一致的，說明層狀黃土中采用0.5m循環(huán)進(jìn)尺能有效控制淺埋隧道暗挖施工誘發(fā)的地表沉降。

3.2 隧道暗挖誘發(fā)的圍巖沉降變化特征

除地表沉降外，考慮對埋置在地層中的管線、地基基礎(chǔ)的影響，隧道施工誘發(fā)的圍巖沉降也是工程建設(shè)關(guān)心的重要問題，數(shù)值計算結(jié)果如圖7所示。由圖7a可知，層狀黃土中距離地表不同深度處圍巖沉降均隨著隧道開挖深度的增大也是先快速增大而后趨于平穩(wěn)，初始快速增大的范圍≤1.0m。由圖7b，7c可知，在隧道循環(huán)暗挖過程中，掌子面附近圍巖沉降因地層損失會有明顯增長。例如，距地表11.48m處，100m處橫截面上圍巖沉降由8.63mm增加到了9.51mm，其對應(yīng)的隧道施工影響范圍約為24m，小于隧道寬度的4倍，增長率為10.2%。

圖7 隧道暗挖誘發(fā)的圍巖沉降分析

同時，如圖7a所示，以隧道初始循環(huán)暗挖到1.0m為例，距離地表0，6.48，11.48，13.38m時圍巖沉降分別為26.8，43.3，48.7，32.5mm，顯然，距離地表6.48m和11.48m處圍巖沉降明顯大于地表沉降，這將對該地層中管線、地基基礎(chǔ)設(shè)施帶來安全隱患，這主要是因?yàn)槠鋵?yīng)的地層主要為素填土、新黃土(見表1)，其沉積時間短、強(qiáng)度低、孔隙大，因而受隧道暗挖施工地層損失引起的變形影響最大。這說明黃土地區(qū)地鐵隧道施工過程中除應(yīng)實(shí)施地表監(jiān)測外，還應(yīng)根據(jù)地層情況，對圍巖變形進(jìn)行測試，防止隧道施工誘發(fā)圍巖沉降引起的破壞。

3.3 隧道暗挖施工時襯砌結(jié)構(gòu)受力變形特征

隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂及基底沉降隨循環(huán)開挖長度增長的數(shù)值計算結(jié)果如圖8所示。由圖8a可知，開挖進(jìn)尺為0.5m時，與地表沉降變化特征類似，隨著隧道循環(huán)開挖深度的增加，拱頂及基底沉降均呈現(xiàn)出先快速增大而后趨于穩(wěn)定的趨勢，初始快速增加段對應(yīng)的開挖深度小于2.0m，并且當(dāng)隧道開挖深度由0.5m循環(huán)增大到2m時，拱頂和基底沉降分別由1.73，0.73mm增加到了3.46，1.58mm，即第1次循環(huán)開挖產(chǎn)生的沉降占到穩(wěn)定值的50%以上。由圖8b可知，隧道循環(huán)開挖到100m范圍時，100m處橫斷面上，拱頂沉降由6.34mm增加到了7.25mm，而基底沉降由6.05mm減小到了5.68mm，這主要是因?yàn)樗淼姥h(huán)開挖、地層損失產(chǎn)生的卸荷作用引起基底回彈而拱頂承受荷載導(dǎo)致的。與圖4所示現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果相比，拱頂沉降穩(wěn)定值的數(shù)值計算結(jié)果偏大，但均小于規(guī)范限定值。

圖8 隧道暗挖施工時襯砌結(jié)構(gòu)沉降分析

由完成210m長淺埋隧道暗挖施工后剝離了圍巖的隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力數(shù)值計算云圖可知，開挖進(jìn)尺為0.5m時，完成施工后隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受拉區(qū)和受壓區(qū)的最大彎矩分別為5.03×104N·m，-4.73×104N·m，對應(yīng)的軸力分別為1.57×105N，-3.53×105N。為確定層狀黃土中地鐵淺埋隧道暗挖施工后襯砌結(jié)構(gòu)的安全性，參考JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，計算得到的偏心距e=M/N=0.13>0.2H=0.05(H為襯砌厚度)，則由抗拉強(qiáng)度控制時，偏心結(jié)構(gòu)極限承載力N極限=3.10×105N，因此，隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)K=8.79，滿足規(guī)范抗拉安全系數(shù)不得小于3.0的要求。綜合分析結(jié)果可知，在西安典型層狀黃土中采用0.5m循環(huán)進(jìn)尺進(jìn)行淺埋隧道暗挖施工能夠確保襯砌結(jié)構(gòu)受力變形符合要求。

3.4 隧道暗挖時超前注漿導(dǎo)管豎向變形特征

淺埋暗挖施工過程中，盡管可以觀察到開挖面情況，但在循環(huán)暗挖及襯砌施工過程中，難以準(zhǔn)確測量沿注漿導(dǎo)管全長的變形情況，故需采用數(shù)值方法掌握隧道施工過程中超前注漿導(dǎo)管變形情況。完成210m隧道循環(huán)暗挖施工后，超前注漿導(dǎo)管豎向變形數(shù)值計算結(jié)果表明，超前注漿導(dǎo)管的沉降由隧道拱頂向側(cè)壁方向逐漸減小，這主要是因?yàn)樗淼腊低谝鸬貙訐p失過程中拱頂向側(cè)壁方向承受的圍巖荷載逐漸減小導(dǎo)致的。同時，沿著隧道縱向超前注漿導(dǎo)管沉降逐漸增大，例如，拱頂正上方注漿導(dǎo)管沉降由0.035mm逐漸增大到0.06mm。相對于施工過程中地表、圍巖及隧道襯砌結(jié)構(gòu)較大的沉降變形，沉降較小的超前注漿導(dǎo)管能有效提高隧道周圍黃土地層的自穩(wěn)能力，確保施工安全，保障施工進(jìn)度。值得注意的是，在實(shí)際工程中，暗挖和襯砌有一定的時間間隔，襯砌混凝土的強(qiáng)度也隨時間逐漸增長，而在利用FLAC3D軟件內(nèi)置的空模型數(shù)值模擬開挖過程中，襯砌是瞬間完成的，計算的超前支護(hù)注漿導(dǎo)管豎向沉降偏小。

4 結(jié)語

本文采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的方法對層狀黃土中淺埋隧道暗挖誘發(fā)的地表沉降、圍巖沉降、隧道襯砌結(jié)構(gòu)及超前注漿導(dǎo)管變形特征進(jìn)行了綜合分析，得到的主要結(jié)論如下。

1)層狀黃土中淺埋隧道暗挖誘發(fā)的地表及圍巖沉降隨著開挖深度的增大呈兩階段變化特征。地表沉降隨著與隧道中心距離的增大而減小，而圍巖沉降變化特征與黃土地層特性有關(guān)，并且隧道施工對地表及圍巖沉降的縱向影響范圍不大于隧道寬度的7倍。

2)隧道襯砌結(jié)構(gòu)沉降隨開挖深度的變化呈兩階段變化特征，初始快速增長段對應(yīng)的開挖深度<2.0m。層狀黃土中采用0.5m進(jìn)尺進(jìn)行暗挖施工能夠滿足隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形的安全性要求。

3)整個施工期間超前注漿導(dǎo)管由隧道拱頂向拱側(cè)及沿著隧道縱向的豎向沉降均相對較小，有效提高了隧道周圍黃土地層的自穩(wěn)能力。