青島上軟下硬復合地層隧道開挖變形規律研究

王青松,張擁軍,康與超

(1.中鐵二十局集團有限公司 西安市 710016;2.中國鐵建高原隧道施工技術及裝備研發中心 西安市 710016;3.青島理工大學 青島市 266520)

0 引言

城市地鐵修建過程中,開挖隧道會對地層圍巖穩定性產生較大影響。其造成土層擾動,引起巖土體變形,地表沉降,嚴重時會導致大面積坍塌事故。

國內外學者研究大量工程實踐,總結了多種隧道開挖引起地表沉降的方法,如經驗公式法、數值模擬法、理論解析法、物理模型法等[1-3]。關于隧道沉降變形方面的研究,劉寶琛等[4-5]介紹了預計近地表地下工程開挖引起地表移動及變形的隨機介質方法,并取得大量成果。 白明州等[6]研究了大斷面地鐵車站隧道,應用FLAC3D計算軟件,優化開挖施工方案,模擬動態施工過程,分析各施工步序暗挖車站周圍土體的變形量和地面沉降量,確定引起最大地面沉降量的施工步序。常翔[7]基于搜集到的北京地區地質勘察資料,采用數值分析軟件,建立已有地鐵隧道的三維有限元模型,計算分析隧道動態施工時地層以及既有地鐵隧道沉降變形發展規律,對比分析了注漿對地表和已有隧道變形的影響。馬紫娟等[8]以廣州地鐵3號線隧道的施工階段為例,運用數值模擬軟件研究了隧道施工引起的地表沉降和底層移動,取得了實用性研究成果。吳應明等[9-11]分別針對各城市地鐵施工對地面沉降的影響進行了數值分析,結合周圍建筑物實際情況,提出了隧道開挖流程合理設計,并進行數值驗證。劉波等[12]采用FLAC程序對隧道土體地層沉降進行數值模擬,分析了盾構隧道施工引起的巖土體沉降對某購物中心基礎的影響 ,并提出相應的治理措施。

文章以青島地鐵四號線靜沙區間突涌水災害事故為工程背景案例,主要對上軟下硬復合地層中單線隧道施工穿越不同地層類型引起的沉降變形進行研究,通過有限元軟件模擬開挖過程,研究圍巖土體和地表的沉降變形規律,為工程建設提供技術參考。

1 工程概況

靜沙區間為青島地鐵4號線位于青島市嶗山區靜港路站至沙子口站間的在建盾構隧道區間,起止里程(Z)YDK24+739.4～(Z)YDK25+879.0,全長1139.6m。該隧道段由兩個獨立平行的隧道組成,隧道間距13.8m,洞身主要穿越微風化凝灰巖層,為Ⅲ級圍巖,圍巖完整性較好。該區間主要采用盾構法施工,局部受地質條件影響采用礦山法施工后盾構平推通過,其中事故段采用礦山法施工。區間軌面埋深15.0～33.3m,拱頂覆土厚度9.5～27.8m,其中礦山法隧道洞頂中、微風化覆巖厚度0～24.0m,開挖進尺3～5m。

事故發生段位置在靜沙區間左線硬巖段,坍塌里程為ZDK25+343,基本位于漁港路正下方,上方無建構筑物。事故發生區域周邊地勢平坦。區間縱斷面圖如圖1所示。

圖1 靜沙區間縱斷面圖

從圖1可以看出,隧道埋深約為19.8m,相對于隧道頂部的水位為19m。地層剖面包括素填土、粉質粘土、中粗砂、強風化凝灰巖、中風化凝灰巖和微風化凝灰巖。特別是強風化凝灰巖的厚度僅為0.6 m。事故段位置在強風化凝灰巖與中風化凝灰巖之間,該區域地層的各向異性和非均質性對隧道掘進過程中圍巖的穩定性造成較大影響。

青島地鐵4號線靜沙區間隧道洞身處穿越上軟下硬地層,主要穿越強風化凝灰巖、中風化凝灰巖及微風化凝灰巖組合的復合地層。隧道開挖過程中,隧道穿越不同的巖層厚度比例時,會使地層發生不同程度的變形。此外,該區間存有大量地下水,會使得巖質軟化,造成圍巖強度下降,同時地下水的滲流也對巖層的力學性質產生較大影響。

2 數值模擬分析

2.1 模型參數

模擬范圍選取ZDK25+313～ZDK25+373區間建立數值計算模型。此區段施工工法為臺階法,因此模擬工法為臺階法開挖并施作初支,初支為300mm厚C25噴射混凝土。

模型中的巖土層自上而下為6m素填土、8m中粗砂、4m粉質粘土、42m強(中)(微)風化凝灰巖,圍巖等級為V(Ⅲ)級。計算模型以隧道洞口中心線為對稱軸分別向左右延伸40m,前后方向取60m,厚度取60m,隧道洞口底部距離模型底部30m,隧道洞口頂部距離模型頂部22.2m,整個模型尺寸為80m×60m×60m。建立模型如圖2所示。

圖2 隧道模型圖

該模型圍巖采用摩爾-庫倫本構模型構建3D單元,初期支護采用2D板單元進行模擬,錨桿部分采用1D桿單元進行模擬,模型各地層物理力學參數見表1。

表1 隧道模型參數

2.2 沉降曲線特征分析

因隧道洞口所處的地層類型不同,隧道上方圍巖形成壓力拱的范圍也會有所不同。不同圍巖的力學性質及穩定性的不同對地表沉降分布規律會產生較大的影響。從圖1可知,此次事故發生段地形較特殊,主要是由中風化和強風化凝灰巖組成的漏斗狀地貌,且隧道施工過程中主要穿越微風化、中風化和強風化凝灰巖,故模型將隧道洞口穿越的地層類型設定為微風化凝灰巖、中風化凝灰巖和強風化凝灰巖三種,分別對其進行數值計算,可得到隧道穿越不同地層類型時的地層縱向位移云圖,見圖3～圖5。隧道橫斷面沉降槽曲線見圖6、圖7。

圖3 隧道穿越微風化凝灰巖位移云圖

圖4 隧道穿越中風化凝灰巖位移云圖

圖5 隧道穿越強風化凝灰巖位移云圖

圖6 隧道不同地層橫斷面沉降槽曲線

圖7 隧道不同地層沉降槽曲線局部放大圖

通過圍巖縱向位移云圖和橫斷面沉降槽曲線可知,隨著隧道穿越的地層類型不同,地層的彈性模量逐漸增大,使得隧道圍巖的豎向位移和地表沉降逐漸增大,且圍巖最大沉降值和最大隆起值均在隧道拱頂和拱底處,沉降槽的形狀均為“U”型,基本對稱于隧道洞口中軸線。

由圖3～圖5可知,當地層類型由微風化凝灰巖變為中風化凝灰巖時,圍巖豎向位移有微小增加,最大沉降值由0.20mm變為0.80mm,最大隆起值由0.14mm變為0.52mm,沉降槽曲線差別不大;當地層類型由中風化凝灰巖變為強風化凝灰巖時,隧道圍巖的豎向位移和地表沉降急劇增大,最大沉降值由0.80mm變為61.08mm,最大隆起值由0.52mm變為52.12mm。而從縱斷面地形圖可以看出,事故段隧道洞口上半段剛好處于強風化凝灰巖,風化程度較高,圍巖中存在大量間斷面,地層的力學性質會嚴重退化。由此可判斷,地形因素是發生此次災害的原因之一,與實際情況相符。

從圖6、圖7可以看出,地層類型由強風化凝灰巖變為中風化凝灰巖時,地表最大沉降量減小的速率最大;地層類型由中風化凝灰巖變為微風化凝灰巖時,地表最大沉降量有微小的減少,在1mm以內,變化較小。強風化凝灰巖和中風化凝灰巖、微風化凝灰巖相比,彈性模量參數相差較大,隧道穿越的地層逐漸從較堅硬巖進入全硬巖地層,圍巖穩定性較好,隧道開挖對上覆土層的擾動逐漸減小,使得地表沉降逐漸減小并趨于穩定;而中風化凝灰巖和微風化凝灰巖,兩類土層的物理力學參數相差不大,故未對地表沉降產生過大影響。

3 結論

(1)地形因素是影響地表沉降的因素之一,隧道頂部至地表之間存在大量的素填軟土、沙土和粉土等松散軟弱地層,加上水位較高,含水量豐富,軟弱土層在水的作用下增加了流動性;同時,隧道洞身處穿越不同的巖層或不同的巖層厚度比例時,會使地層發生不同程度的變形。

(2)圍巖力學性質直接影響隧道開挖對周邊環境的擾動效果。圍巖從強風化凝灰巖變為中風化凝灰巖和微風化凝灰巖時,隧道最大位移值分別從61.08mm變為0.8mm和0.2mm,這說明土層類型由較堅硬巖變為全堅硬巖,圍巖穩定性逐漸變好,隧道開挖對土層的擾動減小,地表沉降相應逐漸減小并趨于穩定。