青島地鐵淺埋隧道沉降規(guī)律及優(yōu)化措施分析

楊文祥,周慶剛,王俊毅,王 棟

(1.山東高速建設(shè)管理集團有限公司 濟南市 250001; 2.山東高速工程檢測有限公司 濟南市 250002;3.中建八局第二建設(shè)有限公司 濟南市 250014)

0 引言

在地鐵建設(shè)過程中,地表沉降的數(shù)據(jù)通常作為隧道安全施工的重要參數(shù),其沉降值的大小與隧道事故密切相關(guān)。

眾多學(xué)者對地表沉降做了大量的研究。孔恒等[1-6]研究了超前支護對地表沉降的影響,通過對超前支護進行理論分析和實驗控制,并運用模擬軟件等輔助工具與實際施工過程進行對比,得出軟弱圍巖隧道施工過程中掌子面周圍土體的支撐力絕大部分由超前支護構(gòu)成;李志輝等[7-12]從土體預(yù)加固、支護種類和開挖工藝三個方面進行模擬研究并提出沉降控制和工法優(yōu)化方案;原華[13]通過數(shù)值模擬對上海越江隧道進行了分析,得出在不同水位條件下地下水滲流對隧道管片和地表沉降造成的影響。結(jié)合眾多學(xué)者的研究成果,無論是數(shù)值模擬還是理論分析法都對地表沉降做了大量的研究,但在國內(nèi)外隧道研究中,對上軟下硬的復(fù)合地層條件下、滲流-耦合作用下的淺埋暗挖車站研究較少。

文章以青島地鐵4號線福州路車站為研究對象,在數(shù)值模擬時考慮時間因素以及滲流-應(yīng)力耦合條件,將數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)進行對比,確定最大沉降位置即最不利位置,及時進行設(shè)計優(yōu)化,為實際地下工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

青島地鐵4號線全長約30.66km,整條線路均在地下,共設(shè)25座車站。其中福州路站是第10座車站,車站整體沿遼陽西路東西向布置。車站全長203m,車站計算站臺中心線處軌頂面絕對標(biāo)高為8.9m,車站頂板上部覆巖厚度約9～15m,基底埋深約33m,車站采用雙層初支拱蓋法施工。

2 地表沉降規(guī)律研究及分析

福州路地鐵站埋置較淺,同時地質(zhì)條件復(fù)雜且地下水豐富。因此,要時刻關(guān)注車站施工引起的地表沉降變化。文章選取福州路車站從2018年11月11日開始施工到2020年12月30日區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進行分析,將所得數(shù)據(jù)檢查整理后,繪制DBC06-08區(qū)段地表沉降曲線。

在第一階段,因受隧道施工影響,各監(jiān)測點沉降數(shù)據(jù)呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢。直至2019年3月到4月中旬,此時隧道施工離監(jiān)測點較近,因此受施工擾動和施工降水兩方面影響,地面沉降呈現(xiàn)快速沉降趨勢,沉降量達(dá)到23mm左右。但在第二階段,各監(jiān)測點趨勢均呈現(xiàn)“回升”現(xiàn)象,其原因是隧道上導(dǎo)洞開挖完成后,及時進行了初期支護,為斷面提供了支撐力,抵抗住了周圍圍巖的變形,使地表沉降量減小。但是DBC06-05卻表現(xiàn)出不斷下降的趨勢,經(jīng)查閱超前地質(zhì)預(yù)報得知,此處存在大型地下空洞,具體分析見下文。第三階段曲線顯示掌子面開挖完成之后,最終在初期支護以及圍巖本身的承載力雙重影響下,地層沉降趨于穩(wěn)定并最終收斂于10～30mm。

綜上可知,造成地面沉降的因素與施工降水、斷層破碎帶及空洞有關(guān)。下面將針對這些因素一一進行分析。

2.1 施工降水影響

因為青島地區(qū)是典型的上軟下硬地質(zhì),不考慮水土流失的作用,該沉降的主要原因是施工降水引起土的固結(jié)沉降。

根據(jù)土力學(xué)[14]中土的固結(jié)理論可知,降水所引起的附加荷載計算公式為:

P=γw(h0-h1)

(1)

式中:P表示因降水總和產(chǎn)生的附加應(yīng)力,單位kN;γw表示水的重度,通常取10(方便計算),單位kN/m3;h0-h1表示降水前后的水頭高度差,單位m。

再利用分層總和法,按照式(2)計算并求解由于降水原因造成的地表沉降:

(2)

式中:Smax表示為監(jiān)測到的沉降量之和,單位m;Si表示為土層當(dāng)中i土層的沉降數(shù)值,單位m;Ei表示為土層當(dāng)中i土層的壓縮模量,單位kPa(通過查閱地勘資料獲得);Hi表示為土層當(dāng)中i土層的計算厚度,單位m。

如表1所示,在人工降水因素影響下的地表沉降總量為Smax=18.37mm,此沉降數(shù)據(jù)與圖1展示的總數(shù)據(jù)(即現(xiàn)場實測數(shù)據(jù))相比占了將近2/3,這也表明了地下水的存在對地表沉降影響重大,不可忽視地下水的作用。

圖1 DBC06-05 測點沉降曲線圖

表1 車站土層物理參數(shù)和沉降量計算表

2.2 斷層破碎帶及空洞的影響

根據(jù)地質(zhì)勘查資料以及施工過程中進行的超前地質(zhì)檢測可知,福州路車站位于斷裂帶上,選取在此斷裂帶上具有代表性的DBC06-05監(jiān)測點沉降數(shù)據(jù),繪制沉降曲線圖1。

由圖1可知,在2019年4月初,當(dāng)其他曲線的沉降量在不斷減小時,此監(jiān)測點沉降量卻不斷增大,在地下23m左右處明顯有一個大型空洞。這些空洞存在地下水,隨著地下水不斷排出和施工擾動的雙重作用,導(dǎo)致空洞上方的土不斷固結(jié)發(fā)生應(yīng)力變化,因此發(fā)生過度的地表沉降。為此需采取積極有效的措施,如進行超前支護、空洞注漿回填、拱頂注漿及地表注漿等有效措施減小地表沉降。

3 數(shù)值模型建立

3.1 數(shù)值模型

文章運用Midas GTS軟件模擬車站施工過程中在水位變化下的地表沉降規(guī)律。工況一:水位一位于地表以下6.5m處(實際水位);工況二:水位二位于地表以下23m處;工況三:水位三位于地表以下34m處,此處在車站底板下方位置(此工況僅是在考慮降低地下水對施工的影響下設(shè)置)。模擬簡化和基本假設(shè)如下:

(1)選用的材料皆為均質(zhì),且為連續(xù)和各向同性的。

(2)模型的初始應(yīng)力僅設(shè)自重應(yīng)力。

(3)建立三個不同水位環(huán)境下的滲流-應(yīng)力耦合模型模擬。

(4)為了與實際工程相吻合,模擬施工采用的開挖步距為2m,內(nèi)支撐以及錨桿等支護材料設(shè)置在第3步開始添加,二襯在全部開挖完畢后施加,最后是內(nèi)支撐的拆除,與二襯施加相隔2m。

3.2 計算模型參數(shù)的選取

模型建立過程中各土層和噴混(初支、二襯、錨桿)的計算參數(shù)需要根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料進行確定,各個巖層的力學(xué)性能和物理參數(shù)的設(shè)定如表2所示。

表2 土層及噴混計算參數(shù)

4 不同工況環(huán)境下車站地表沉降對比分析

運用Midas GTS NX軟件分別建立三種不同工況條件下滲流-應(yīng)力耦合模型進行地表沉降分析。其模擬結(jié)果繪制曲線,如圖2所示。

圖2 不同工況環(huán)境下地表沉降過程對比曲線

由圖2可知,在工況一環(huán)境下地表沉降最大達(dá)到23.06mm,其值與圖1實測沉降量相近;在工況二時,地表最大沉降量達(dá)到12.08mm;而在工況三時,地表最大沉降量達(dá)到10.23mm。可見,在工況一環(huán)境下地表沉降量最大,工況三環(huán)境下地表沉降量最小,因此地下水位的變化對地表沉降影響巨大,不可忽視地下水的作用。所以,為保證隧道車站的安全施工,應(yīng)將工況降至車站底板下方安全位置,最大程度減小地下水對隧道車站施工造成的沉降影響。

5 施工優(yōu)化控制措施

5.1 支護時序?qū)刂频乇沓两档淖饔梅治?/h3>

根據(jù)淺埋隧道圍巖松動理論可知,圍巖的重力由圍巖上方的阻力和支護結(jié)構(gòu)的反作用力組成。因福州路車站地質(zhì)條件較差,在支護不及時僅僅靠圍巖上方的阻力來維持隧道掌子面的穩(wěn)定性,會引起圍巖發(fā)生過大的變形,存在坍塌的風(fēng)險。因此運用Midas GTS NX軟件分別進行有無及時支撐模擬,其模擬結(jié)果繪制曲線,如圖3所示。

圖3 有無及時支撐地表沉降量對比曲線

由圖3可知,地表所產(chǎn)生的最大沉降量均位于隧道車站中軸線上方地表處。隨著車站施工不斷進行,地表沉降量不斷增大,當(dāng)處于中軸線上方時,在全斷面打通時兩者相比減小了26%,極大降低了地表沉降量。其原因是當(dāng)隧道車站開挖之后,圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài),此時及時進行支撐可有效減小地層的應(yīng)力釋放,使隧道車站與周圍的圍巖盡快趨于穩(wěn)定狀態(tài),此優(yōu)化方案可極大緩解地表沉降趨勢。

5.2 改進工法對控制施工沉降的作用分析

福州路地鐵站采用雙層初支拱蓋法施工,具有14個導(dǎo)洞。該施工方法具有安全、高效且隨時調(diào)整開挖順序的優(yōu)點。但是其也具有缺點,以福州路車站而言,其拱頂處于復(fù)合圍巖中且導(dǎo)洞開挖面較大,容易出現(xiàn)沉降過大現(xiàn)象;其次車站埋置較淺且地下水豐富,如果支護措施不能及時施做,極易造成塌方現(xiàn)象。因此,參考國內(nèi)外的工程案例,結(jié)合地質(zhì)勘查資料,在可行性的前提下,提出15導(dǎo)洞法的施工方案,將拱頂施工區(qū)域進行劃分,增加一個導(dǎo)洞。其模擬結(jié)果繪制曲線,如圖4所示。

圖4 14導(dǎo)洞法與15導(dǎo)洞法地表沉降量對比曲線

由圖4可知,在車站正上方地表沉降量最大,離車站中心軸越遠(yuǎn)的位置受到車站施工的影響越小,相應(yīng)的地表沉降量也在不斷變小。當(dāng)處于中軸線上方時,其全斷面打通時14導(dǎo)洞法最大沉降量為23.06mm,15導(dǎo)洞法為18.33mm,相比減小20.5%,有效地控制了地表沉降。但是15導(dǎo)洞法也存在缺點,其增加的導(dǎo)洞會使施工周期變長,資金投入增大,因此在施工條件好的情況下建議優(yōu)先選擇14導(dǎo)洞法施工。

6 結(jié)論

(1)車站施工引起最大地表沉降為35mm,造成地面沉降的因素與施工降水、斷層破碎帶及空洞有關(guān)。其中在人工降水因素影響下的地表沉降量為18.37mm,因此在福州車站施工過程中不可忽視地下水的作用。

(2)分別建立了三種不同工況環(huán)境下的滲流-應(yīng)力耦合模型,并研究了各個模型的地表沉降規(guī)律。確定了在工況一環(huán)境下其地表沉降量最大為23.06mm;工況三環(huán)境下地表沉降量為10.23mm。這也再次表明了在重力場單因素模式下地下水位變化對地表沉降的影響巨大,所以為保證隧道車站的安全施工,應(yīng)將水位降至車站底板下方安全位置。

(3)當(dāng)采用及時支撐時其地表沉降量相比減小了26%,采用15導(dǎo)洞法施工時地表沉降量相比減小了20.5%,表明該兩種優(yōu)化方案控制沉降效果顯著。因此,在車站施工全過程中要及時進行支護,并嚴(yán)格選用支護材料、支護方案、控制支護強度等。