地鐵區(qū)間隧道施工數(shù)值模擬分析

李 皓，葛克水

（中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京100083）

地鐵區(qū)間隧道施工數(shù)值模擬分析

李 皓*，葛克水

（中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京100083）

淺埋暗挖法施工引發(fā)的地表沉降對周圍建筑物及管線的安全使用有重要意義，通過對北京地鐵14號線某地鐵站區(qū)間隧道的FLAC3D模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測資料的比較分析，運用數(shù)值模擬輔以現(xiàn)場監(jiān)控測量資料的研究方法總結(jié)了地表沉降的規(guī)律，為后續(xù)的淺埋暗挖法開挖區(qū)間隧道提供了依據(jù)。

地表沉降；淺埋暗挖；數(shù)值模擬

1 概述

隨著經(jīng)濟建設(shè)的不斷發(fā)展，城市人口的不斷增加，地面空間的壓力越來越大，地下建筑被大力開發(fā)與應(yīng)用。土體開挖產(chǎn)生的地層變形對周邊建筑物及管線的正常使用產(chǎn)生影響，因此，對地下建筑施工引發(fā)的地表沉降規(guī)律進行研究十分重要。本文根據(jù)北京地鐵14號線某區(qū)間的施工情況，進行數(shù)值模擬并結(jié)合現(xiàn)場實測資料，對隧道開挖引發(fā)的地表沉降規(guī)律進行研究，分析引起沉降的主要因素，并提出措施，為后續(xù)的施工提供參考。

2 工程概況

14號線某地鐵站區(qū)間右線區(qū)間起止里程：右K14+ 504.386～K15+043.934，區(qū)間長度539.849m（長鏈0.301m）；左線區(qū)間起止里程：左K14+504.386～K15+ 043.934，區(qū)間長度539.808m（長鏈0.260m）。區(qū)間隧道覆土16.05～23.76m，采用礦山法施工。區(qū)間中部右K14+681.000處設(shè)置一處聯(lián)絡(luò)通道，結(jié)合聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置臨時施工豎井及橫通道。區(qū)間線路平面設(shè)置兩處曲線，第一處曲線半徑均為2000m；第二處曲線半徑均為3000m。區(qū)間沿線需下穿2處人行天橋及?500mm中壓燃氣、?500mm高壓燃氣、?1000mm上水、?600mm上水、?800mm污水、?500mm～?800mm雨水、5.9m×2.65m熱力溝等大型市政管線。

本段區(qū)間由施工橫通道向兩端開挖，隧道結(jié)構(gòu)均為單線單洞斷面，隧道拱部采用超前小導(dǎo)管注漿加固地層，格柵鋼架支護。人防段采用CRD法施工，其余地段采用臺階法留核心土施工。區(qū)間主隧道正臺階開挖法施工過程為：左線隧道先行施工，由施工通道進正線破馬頭門時，首先在馬頭門拱部打設(shè)超前小導(dǎo)管，并預(yù)注漿加固地層，之后鑿開洞門，之后進行土體開挖工作開挖，進尺一榀格柵間距0.5m。初噴混凝土，掛鋼筋網(wǎng)，架立格柵鋼架，再次噴射混凝土，之后進行初期支護背后回填注漿。左、右線開挖前后錯開距離至少15m。各段初支貫通后，施作防水層，架立二次襯砌鋼筋并進行二襯混凝土澆筑，施工縫間距2～6m，待二次襯砌結(jié)束后進行背后回填注漿。區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)剖面及監(jiān)測點布設(shè)見圖1。

圖1 區(qū)間隧道標準斷面圖

3 水文地質(zhì)特征

14號線某站區(qū)間隧道地基土主要為粉細砂層⑦2層，圓礫卵石⑦層、中粗砂⑦1層，局部為粉質(zhì)粘土⑥層。結(jié)構(gòu)頂拱穿過的土層主要為中粗砂⑤1層、粉質(zhì)粘土⑥層和粉土⑥2層。邊墻穿過的巖土層主要為粉細砂層⑦2層，圓礫卵石⑦層、中粗砂⑦1層、粉質(zhì)粘土⑥層、粉土⑥2層。土層圍巖分級為Ⅵ級，土石可挖性分級為Ⅰ—Ⅲ級，土體自穩(wěn)能力較差，很難形成自然拱。地下水類型為潛水（二）和承壓水（四），這兩種水層對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)位于含水層范圍內(nèi)的砂層，其厚度較大，為飽和狀態(tài)，在地下水的作用下，會產(chǎn)生涌水、潛蝕、流砂等現(xiàn)象，極易導(dǎo)致隧道側(cè)壁失穩(wěn)。

4 數(shù)值模擬

采用FLAC3D軟件進行模擬，F(xiàn)LAC3D軟件采用有限差分原理，將顯式拉格朗日算法和混合—離散分區(qū)技術(shù)混合應(yīng)用，能夠進行土質(zhì)、巖石等材料的三維結(jié)構(gòu)受力模擬以及塑性破壞和流動分析，采用較小的資源就能夠準確的求得實際工程問題。

模型尺寸取跨度較大，埋深較淺（16～19.5m）的區(qū)間正線主測斷面一以及主測斷面二之間的區(qū)域，整體計算模型高度為60m，上邊界取到地表面，下邊界取到2倍車站跨徑處，整體模型計算跨度為120m，為4倍區(qū)間雙線跨徑，呈對稱布置，該模型側(cè)面限制水平位移，底部限制垂直位移，上面為地面按自由邊界考慮，共100320個單元，共106431個節(jié)點，應(yīng)用FLAC3D軟件計算的模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

模型邊界條件為：側(cè)面和底面為位移邊界，側(cè)面限制水平移動，底部限制垂直位移，上邊界為自由面。本區(qū)間段各土層的基本參數(shù)見表1。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

基本假定：

（1）土層材料采用摩爾—庫倫模型計算；

（2）沒有考慮施工降水對地層沉降的影響；

（3）區(qū)間結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化；

（4）強度準則采用摩爾—庫倫準則；

（5）結(jié)構(gòu)初期支護采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。

區(qū)間隧道開挖前采取預(yù)加固措施，以提高圍巖的穩(wěn)定性，根據(jù)圍巖類別采用的預(yù)加固方式為：DN25× 3.25水煤氣管作為超前小導(dǎo)管，每榀一打，管長2m，打設(shè)角度20°～25°，環(huán)向間距300mm，并采用DN25×3.25水煤氣管作為鎖腳錨管，與水平成30°斜向下打設(shè)，長度為2m。加固措施的模擬采用等效計算的方法，在模擬計算時，依據(jù)經(jīng)驗，將圍巖參數(shù)中的c、φ值提高一定比例，這里采取在先期小導(dǎo)洞開挖時將初期支護外0.5m范圍內(nèi)的土體c、φ值提高30%的措施[4-5]。

5 計算結(jié)果與規(guī)律分析

本次FLAC3D有限差分數(shù)值模擬計算主要考察結(jié)果是每個施工工序下引發(fā)的地表沉降量，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控測量數(shù)據(jù)，總結(jié)地表沉降規(guī)律。

5.1 隧道橫向地表沉降規(guī)律

采用正臺階開挖法進行區(qū)間雙線隧道施工時，隧道橫向及縱向所產(chǎn)生的地表沉降曲線受隧道的埋深、施工方法和水文地質(zhì)情況影響，大致上近似于peck沉降曲線形狀，即概率論中的正態(tài)分布曲線。區(qū)間隧道開挖完成后，隧道結(jié)構(gòu)中線上方地表沉降出現(xiàn)最大值，沉降值在15mm左右，兩隧道間地表沉降量為4～12mm。拱頂下沉量最大，右線拱頂?shù)淖畲笙鲁亮繛?7.14mm底部隆起量為10.16mm，左線最大拱頂下沉量為16.48mm，底部隆起為10.06mm。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控測量數(shù)據(jù)顯示，區(qū)間隧道實際施工引發(fā)的沉降量比數(shù)值模擬計算出的沉降量大，現(xiàn)場實測資料下臺階開挖引發(fā)的地表沉降比數(shù)值模擬大7mm左右，這是因為施工時開挖步距過大，造成整體初期支護結(jié)構(gòu)沒有及時封閉成環(huán)，上臺階頂拱拱腳懸空時間過長引發(fā)的，可見短進尺、及時架設(shè)仰拱使得結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)可以有效減小地表沉降。

隧道橫向產(chǎn)生的地表沉降曲線見圖3，開挖所引起的地面沉降的范圍大致為40m左右?？梢钥闯觯瑓^(qū)間正線兩隧道的施工是相互影響的，左線隧道先行施工，監(jiān)測斷面對應(yīng)的施工掌子面上臺階開挖完成后，隧道結(jié)構(gòu)中線正上方對應(yīng)地表點DB-05產(chǎn)生最大沉降，沉降量為13.78mm，左線下臺階開挖完成，掌子面封閉成環(huán)后產(chǎn)生最大地表沉降量的點亦為監(jiān)測點DB-05，最大沉降量為22.03mm。

圖3 地表橫向沉降槽曲線圖

左線隧道施工期間，右線隧道監(jiān)測斷面地表已產(chǎn)生沉降，最大沉降量為6.24mm，可知左線隧道的施工已對右線隧道周圍土體產(chǎn)生擾動。右線隧道上臺階開挖完成后，隧道結(jié)構(gòu)中線正上方對應(yīng)地表點DB-09產(chǎn)生最大沉降，沉降量為19.29mm，監(jiān)測斷面下對應(yīng)施工掌子面封閉后，產(chǎn)生的地表累計沉降量為24.16mm，并且在右線隧道施工期間，左線隧道監(jiān)測點均產(chǎn)生1.5～2mm的沉降?？梢姡笥揖€隧道的施工引發(fā)的地表沉降是相互影響的。

根據(jù)本區(qū)間段實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，兩隧道間的地表沉降大于兩隧道外側(cè)的地表沉降。隨中跨土體開挖及后續(xù)步序的施作，車站中心線處的地面沉降逐漸增大，開挖過程中地表沉降逐漸增大，施工完成時地表最大沉降為24.16mm，位于右線隧道結(jié)構(gòu)中線上方對應(yīng)地表點DB-09。上臺階開挖引發(fā)的地表沉降量占總體沉降的比例較大，根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，上臺階開挖引發(fā)的地表沉降量占總沉降量的60%～80%。

相鄰兩隧道的施工，超前小導(dǎo)管預(yù)注漿以及鎖腳錨桿的存在，有利于圍巖的穩(wěn)定性，因此施工完成后產(chǎn)生的地表沉降槽呈“雙峰”型，峰值間距在15m左右，基本為兩隧道結(jié)構(gòu)中線間距。左線隧道先行開挖，其結(jié)構(gòu)中線正上方對應(yīng)地表沉降小于后行開挖的右線隧道，這是由于左線隧道的開挖，對周圍土體產(chǎn)生擾動，引發(fā)土體松弛，右線隧道處于松動區(qū)之內(nèi)，其施工引發(fā)的沉降較大。

5.2 隧道縱向地表沉降的規(guī)律

區(qū)間隧道縱向所產(chǎn)生的地表沉降分為4個階段：

（1）微沉降階段。即當施工掌子面距離監(jiān)測斷面幾十米（通常為2D左右）時,這是由于施工掌子面的開挖對前方土體的擾動造成的。

（2）大沉降階段。當施工掌子面距離監(jiān)測斷面1D左右時，地表沉降速率較大，并且這個階段產(chǎn)生的沉降量較大。

（3）緩沉降階段。當施工掌子面超過監(jiān)測斷面2D～4D時,速率逐漸變小，這是由于圍巖受到開挖擾動后自行固結(jié)，以及洞室周圍土體填補初期支護背后空隙產(chǎn)生的沉降。

（4）后續(xù)沉降階段。當施工掌子面通過監(jiān)測斷面4D后,地表沉降量趨于穩(wěn)定,由于施工過程中對隧道圍巖的擾動，地層會發(fā)生主固結(jié)沉降；在孔隙水壓力趨于穩(wěn)定后，土體骨架仍會蠕變，即次固結(jié)沉降。上述沉降階段多非同時產(chǎn)生，且其表現(xiàn)形式也是綜合性的。地基條件和施工狀況不同，沉降的類型也會有所不同。

隧道縱向沉降曲線圖見圖3。

6 控制沉降措施

根據(jù)FLAC3D模擬并輔以現(xiàn)場監(jiān)控量測資料的研究結(jié)果，可知施工引發(fā)的實際沉降量和數(shù)值模擬計算出的沉降量大。這是因為施工引發(fā)的地表沉降是受隧道斷面形式、施工步距、支護時機是否得當?shù)鹊戎T多因素影響。在施工過程中，要嚴格按照淺埋暗挖法十八字方針“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤測量”進行作業(yè)，盡量縮短進尺，將每榀鋼格柵間距控制在0.5～0.6m，并及時架設(shè)仰拱使結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)，可以有效減小地表沉降。

圖4 監(jiān)測點DB-05和DB-09沉降歷時曲線圖

正臺階開挖法施工中，上臺階開挖引發(fā)的地表沉降量占總體沉降量的比重較大，合理控制開挖步距，將開挖步距控制在0.5m，同時加大初期支護結(jié)構(gòu)剛度，增大超前注漿小導(dǎo)管直徑，減小布置間距，增大鋼格柵主筋直徑。這使得地層應(yīng)力的釋放得到有效控制,減小了初期支護的徐變產(chǎn)生的變形，地層的變形也將減小。同時加大力度，控制下臺階開挖引發(fā)的地表沉降，隧道增設(shè)臨時仰拱，加強初支背后注漿，注漿分2次進行，第一次注漿距開挖面3m，為低壓注漿，漿液從掌子面冒出時即結(jié)束，第二次注漿距開挖面8m，為飽壓注漿，注漿壓力0.5MPa，必要時進行再次補漿。

隧道應(yīng)按設(shè)計尺寸嚴格控制開挖斷面，不得欠挖，允許超挖值為100mm，超挖部分用C20噴射混凝土回填。當停止開挖時，應(yīng)掛鋼筋網(wǎng)噴射100mm厚C20混凝土對掌子面進行封閉，必要時，設(shè)置型鋼支撐，并對掌子面進行插管注漿。每次拱部超前注漿時，應(yīng)對上臺階核心土以外的掌子面噴射50mm厚C20混凝土進行封閉。

為減小左右線隧道施工引發(fā)的洞群效應(yīng)，兩隧道施工進尺前后錯開15m以上為宜，待一側(cè)進洞且初襯成環(huán)15m以上，方可進行另一側(cè)隧道施工。

區(qū)間附近土層中地下水類型為潛水（二）和承壓水（四），這兩種水層對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋具微腐蝕性，并且對隧道圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，施工應(yīng)遵循“應(yīng)先探水、遇水再處理、確保掌子面無水后再開挖”的原則，提前進行殘留水探測，如遇殘留水，根據(jù)殘留水情況采用引排或或注漿加固等方式處理后再開挖。

7 結(jié)論

區(qū)間隧道施工中，采用正臺階工法并結(jié)合輔助工法施工能夠有效地控制地層變形。根據(jù)現(xiàn)場實測資料，最大沉降量為24.16mm左右，隧道底部隆起量較小，地鐵區(qū)間隧道開挖地面沉降的主要影響范圍大致為40m。

相鄰兩隧道的施工，超前小導(dǎo)管預(yù)注漿以及鎖腳錨桿的存在，加固了隧道上方土體，提高其穩(wěn)定性，從而使地表的沉降槽呈“雙峰”型。

根據(jù)現(xiàn)場實測資料同數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析可以得知：上臺階的開挖產(chǎn)生的沉降量占總沉降量的比例較大，為60%～80%，可通過增大超前注漿小導(dǎo)管直徑，并減小其布置間距，預(yù)留核心土等方法減小上臺階開挖引發(fā)的地表沉降；現(xiàn)場實測資料下臺階的開挖引發(fā)的地表沉降比數(shù)值模擬的結(jié)果較大，說明及時架設(shè)仰拱使結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)能夠很好地控制地表沉降。

[1]王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].合肥：安徽教育出版社，2005.

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Study of Numerical Simulation of Metro Section Tunnel Construction

LI Hao,GE Ke-shui
(School of Engineering and Technology,China University of Geosciences,Beijing 100083,China)

The ground settlement caused by shallow tunneling method has important effect on the safety of around construction pipeline.Through comparing the FLAC3Dsimulation results and monitoring data from a subway station section tunnel of Beijing metro line 14,the regularities of the ground settlement had been summarized,which provide guidance for the shallow tunneling construction in the future.

ground settlement；shallow tunneling method；numerical simulation

U455.7

A

1004-5716(2015)02-0179-04

2014-03-13

2014-03-25

李皓（1989-），男（漢族），河北邯鄲人，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：隧道及地下工程。