地鐵暗挖通道施工地層位移計算分析

程利民

（南昌軌道交通集團有限公司地鐵項目管理分公司，江西 南昌 330000）

0 引言

近年來，在國家對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力支持下，城市地鐵建設(shè)蓬勃發(fā)展。在地下通道等工程施工過程中地層變形備受重視，并被嚴格監(jiān)測，以防其對既有地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。為此，國內(nèi)外許多學(xué)者對隧道開挖地層變形預(yù)測及控制開展了大量研究，并在地表沉降預(yù)測、控制技術(shù)等方面取得長足發(fā)展[1]。目前針對類矩形等異形截面隧道施工效應(yīng)的室內(nèi)模型試驗研究還非常少見。張治國等[2]基于類矩形截面隧道開挖收斂位移模式,建立類矩形隧道開挖引起土體自由場位移的模型試驗系統(tǒng),通過模擬類矩形隧道開挖掘進過程,實時記錄地表和地層內(nèi)部的沉降變形,分析類矩形隧道開挖引起土體自由場位移分布與發(fā)展規(guī)律。安建永等[3]通過理論推導(dǎo)不同地層最大沉降位移與沉降槽寬度系數(shù)的函數(shù)關(guān)系和模型試驗得到黏土地表以下不同深度地層沉降槽寬度系數(shù)的計算公式，從而為預(yù)測圓形隧道施工地表以下不同深度地層豎向位移提供了一種可靠的計算方法。以上研究已經(jīng)對隧道開挖引起地層的沉降進行深入分析，但是未考慮因施工地層沿隧道縱向的水平位移，低估了地層沿隧道縱向剖面的變形程度。本文基于某地區(qū)地鐵車站出入口暗挖通道工程，結(jié)合數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，考慮隧道施工引起的地層水平位移，在已有研究基礎(chǔ)上進一步對地層水平位移計算公式進行了簡單推導(dǎo)。

1 工程背景

本工程地下通道全長23.60m，在施工期間，堅持每日對地表沉降進行監(jiān)測。開挖前在地下通道拱頂及兩側(cè)2m范圍內(nèi)采用WSS工法深孔注漿，防止拱頂下沉，并沿拱頂輪廓線打設(shè)超前小導(dǎo)管注漿加固。

1.1 工程地層地質(zhì)

出入口暗挖通道工程范圍內(nèi)地層具有二元結(jié)構(gòu)，主要以沉積物粗細變化顯著的河流沖積層為主。地層巖性均表現(xiàn)出由上部黏性土逐漸過渡到下部非黏性土（砂土）的變化特點，巖土層自上而下逐漸變得密實，施工全范圍內(nèi)未見軟弱層。

經(jīng)現(xiàn)場勘探，按巖性及其工程特性，場地地層自上而下依次劃分為填土層（雜填土、素填土），粉質(zhì)黏土層，砂土層（中砂、粗砂、礫砂），風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層（強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖）。根據(jù)地質(zhì)時代、成因類型、分布范圍及巖性特征自上而下分述如下：

（1）填土層：包括雜填土及素填土。雜填土土質(zhì)較松散，全場地分布，灰色、灰褐色，干，主要由碎石、砂礫等組成。局部頂部0.3m為混凝土石塊，穩(wěn)定性和均勻性差。素填土土質(zhì)較松散，全場地分布，棕褐、灰褐色，稍濕，主要由粉黏粒、砂礫及少量碎石組成。實測標貫平均錘擊數(shù)為6擊，穩(wěn)定性和均勻性差。

（2）粉質(zhì)黏土：全場地分布，褐黃、棕黃色，可~硬塑，成分以粉黏粒為主，刀切面較光滑，韌性中等，干，強度中等，中等壓縮性，無搖震反應(yīng)，實測標貫平均錘擊數(shù)為11擊。穩(wěn)定性和均勻性較好。

（3）砂土層：包括中砂、粗砂及礫砂。中砂土質(zhì)松散~稍密，全場地分布，棕黃、褐黃色，干~稍濕，松散-稍密，成分以石英、云母、長石及硅質(zhì)巖等為主，粒徑>0.25mm的含量約占60%。實測標貫平均錘擊數(shù)為11擊。穩(wěn)定性和均勻性較差。粗砂土質(zhì)稍密，全場地分布，棕黃、褐黃色，稍濕~飽和，稍密，成分以石英、云母、長石及硅質(zhì)巖等為主，粒徑>0.5mm的含量約占65%。實測標貫平均錘擊數(shù)為15擊。穩(wěn)定性和均勻性較差。礫砂土質(zhì)中密，全場地分布，褐黃、灰黃色，飽和，中密，成分以石英、云母、長石及硅質(zhì)巖為主，粒徑>2mm的含量約占40%。含個別卵石，磨圓度較好，呈圓狀為主。修正后圓錐動力觸探試驗平均擊數(shù)為10擊，穩(wěn)定性較好，均勻性較差。

（4）風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層：包括強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖全場地分布，紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖石風(fēng)化強烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖芯呈碎塊狀及短柱狀，碎塊用手可掰斷，正常鉆進速度較快，巖芯采取率較低。屬極軟巖，巖石基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，修正后圓錐動力觸探試驗平均擊數(shù)為11擊，穩(wěn)定性較差。中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖全場地分布，紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖石風(fēng)化中等，巖體較完整，局部見少許垂直裂隙，少數(shù)鐵、錳質(zhì)渲染，錘擊聲啞、無回彈、有凹痕、易擊碎，巖芯多呈柱狀或短柱狀，屬軟巖巖石，基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。局部夾青灰色鈣質(zhì)泥巖，穩(wěn)定性較好。

1.2 水文地質(zhì)

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件及勘察查明，擬建場地地下水類型可分為上層滯水、松散巖類孔隙水、紅色碎屑巖類裂隙溶隙水三種類型。暗挖通道結(jié)構(gòu)施工過程中，開挖深度范圍內(nèi)不涉及到紅色碎屑巖類裂隙溶隙水，且開挖幾乎不受地下水影響，故不考慮地下水問題。

2 建立數(shù)值模型

如圖1所示，運用有限元分析軟件對某地區(qū)地鐵車站出入口通道施工進行模擬。數(shù)值模型采用三維八節(jié)點六面體網(wǎng)格，為實現(xiàn)地下通道施工中地層深孔注漿、超前小導(dǎo)管注漿，在模型中對拱頂加固區(qū)域施加應(yīng)力場，并在計算時通過改變場變量以達到加固的效果。數(shù)值模型計算涉及主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模型主要物理參數(shù)

圖1 數(shù)值模型

3 地層位移計算

自Peck[4]提出隧道開挖引起的地表橫向沉降槽近似服從高斯分布以來，許多學(xué)者對地層變形特性進行了大量研究。其中，韓煊等[5]通過對國內(nèi)多組隧道開挖地層沉降實測數(shù)據(jù)的分析，提出了地下沉降槽寬度計算修正公式，得到任意地層深度Z處沉降計算如下：

式中：

Smax——地面沉降的最大值；

z0——隧道深度；

a——不同地層類型的參數(shù)（對于黏性土，取0.65；對砂類土，取0.50）；

x——沉降曲線中心到計算點的距離；

i——沉降曲線中心到曲線拐點的距離，稱為“沉降槽寬度”。

公式（1）僅考慮到了地層任一點處的沉降特征，在實際工程中，變形不僅為地層沉降，還包括沿地下通道開挖方向的位移（下文稱“水平位移”），地層的總變形量由沉降以及水平位移共同控制。如圖2所示，現(xiàn)場監(jiān)測值擬合曲線特征與數(shù)值模擬值變化特征基本一致，表明該數(shù)值模型可以反映實際工程情況，具有一定的代表性。

圖2 地表沉降對比分析

為了分析地下通道開挖引起地層水平位移與沉降的關(guān)系，在（1）式的基礎(chǔ)上引入比值系數(shù)k對距隧道軸線不同距離x處地層水平位移與對應(yīng)沉降的關(guān)系進行擬合，二者關(guān)系如下：

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，因為地層變形以地下通道拱頂為界對稱分布，地下通道拱頂剖面（x=0m）不同深度的沉降與水平位移的關(guān)系如圖3所示，右側(cè)地層各剖面（x=0~30m）沉降與水平位移的關(guān)系如表2所示。當x=（0~4）m時，隨著距離增大，水平位移與沉降逐漸減小，比值系數(shù)k逐漸增大。

表2 水平位移與沉降比值表

圖3 x=0m剖面沉降與水平位移關(guān)系曲線

地下通道開挖施工時引起的地層變形影響范圍與其跨度密切相關(guān)，為了分析系數(shù)k與至軸線距離的變化規(guī)律，由表2繪制K值變化曲線，如圖4所示。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，k值隨相對距離ξ（ξ=x/d，d為地下通道寬度）的增大而增大，其分布特征大致符合對數(shù)函數(shù)形式，在3ξ左右k值就已經(jīng)無限趨近于1，但不會大于1（在距離無限遠處，地層水平位移與沉降均為0，k=1）。利用Logistc函數(shù)對k值隨相對距離ξ的變化特征進行擬合，得到k值擬合公式（式3）：

圖4 k值變化曲線示意圖

地層各點沿隧道縱向的總變形量計算公式為：

式（4）在地層沉降計算的基礎(chǔ)上加入了地層水平位移，使計算結(jié)果更加貼近實際工程。根據(jù)上式特征，地下通道開挖引起地層位移變化曲線符合高斯分布特性，隨著遠離地下通道軸線，地層變形逐漸減小并趨近于零。

4 結(jié)束語

本文基于某地區(qū)地鐵車站出入口暗挖工程，通過建立數(shù)值模型，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型可信度進行驗證，在韓煊等已有研究成果的基礎(chǔ)上，對地層變形進行深入分析，提出包含地層水平與垂直位移的計算公式。通過此公式，能夠更加準確地對地層位移進行分析，以便在實際工程中對地層變形進行嚴格把控，保證施工安全。