淺埋地鐵隧道施工引起圍巖變形規(guī)律研究

侯豪斌

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

引言

城市地鐵隧道工程由于埋深較淺，隧道開挖常常使地表產(chǎn)生不同程度的沉降，引起地表沉降的因素包括隧道埋置深度、隧道尺寸、地質(zhì)條件、施工工況、開挖方法及支護(hù)措施等。

1969年，Peck[1]提出了估算隧道施工造成地表沉降的公式。1981年，Attewell[2]假定沉降槽曲線近似正態(tài)分布，主張影響橫向沉降槽寬度系數(shù)的因素包括隧道尺寸、地層強(qiáng)度及埋置深度。1982年，O'Reilly和New[3]根據(jù)盾構(gòu)法開挖隧道引起的沉降情況，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析，得出隧道外半徑與沉降槽寬度系數(shù)并沒有太強(qiáng)的聯(lián)系，而隧道埋置深度與該系數(shù)密切相關(guān)。

北方交通大學(xué)張彌[4]等開發(fā)的專家系統(tǒng)可以用來預(yù)測地表沉陷，該系統(tǒng)得到了較為廣泛的推廣及應(yīng)用。李特威尼申提出了隨機(jī)介質(zhì)理論，為地層移動問題的解決提供了理論依據(jù)。劉寶深[5]等進(jìn)一步研究隨機(jī)介質(zhì)理論，使其應(yīng)用于隧道施工引起的地表沉降的預(yù)測。吳波[6]等通過有限元模型和離心試驗(yàn)等分析了復(fù)雜環(huán)境下的隧道施工對地表沉降的影響。姚宣德[7]等分析了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，給出了大跨度地鐵隧道開挖造成的沉降控制的建議值。

由于隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)存在高度非線性，隧道開挖過程存在分期分塊的特點(diǎn)，合理選取開挖方式和支護(hù)結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生最佳效益是地下工程追求的目標(biāo)之一，數(shù)值模擬方法是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的有效途徑。1995年，朱維申[8]等對某水電站地下結(jié)構(gòu)施工順序進(jìn)行了優(yōu)化。國內(nèi)外學(xué)者通過大量的實(shí)踐研究，也認(rèn)識到不同施工路徑對施工效益存在影響。

地下工程開挖的過程中，地表會發(fā)生沉降，甚至產(chǎn)生破壞作用。深入研究隧道開挖方法，有效控制地表沉降是國內(nèi)外學(xué)者共同關(guān)注的課題。

王夢恕院士[9]在新奧法原理的基礎(chǔ)上，提出了淺埋暗挖的十八字方針—“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤測量”。吳應(yīng)明[10]等提出淺埋暗挖隧道施工中影響地表下降及地層變形的因素包括：圍巖特性、隧道疊加效應(yīng)、施工工法、地下水、開挖進(jìn)尺、襯砌性質(zhì)等，并提出了遵循“十八字”原則、改善土體特性、適度降低地下水位、根據(jù)地層條件選擇開挖方法、增大左右線并行開挖面的距離、合理確定開挖進(jìn)尺、提高施工效率、加強(qiáng)初期支護(hù)、及時(shí)施作二次襯砌等對策。呂勤、張頂立[10]等結(jié)合深圳地鐵一期工程的淺埋暗挖具體工程實(shí)例及地質(zhì)條件,進(jìn)行土層實(shí)驗(yàn)研究，深入分析地層大變形機(jī)理及其影響因素，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用地層變形控制原則及相應(yīng)的綜合技術(shù)措施后，地層變形大幅度降低。

1 數(shù)值模型

基于Abaqus商業(yè)有限元軟件，以某地鐵隧道為背景，建立地層結(jié)構(gòu)模型，研究不同施工方法影響下，結(jié)構(gòu)受力以及圍巖變形特點(diǎn)。二次襯砌結(jié)構(gòu)厚度 80 cm，初期支護(hù)為噴射混凝土，厚度30 cm，材料參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模型參數(shù)

主要考慮臺階法、交叉中隔墻法（CRD法）以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等三種不同方法，見圖1。臺階法首先進(jìn)行隧道上半部分圍巖開挖，然后進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)施做，當(dāng)上臺階超前一定距離后，進(jìn)行下半部分?jǐn)嗝媸┕?，最后上下臺階同時(shí)開挖前進(jìn)。交叉中隔墻法適用于軟弱圍巖中隧道的開挖，其施工工序見圖1所示，將隧道斷面分割成4個(gè)小洞室分別進(jìn)行開挖，先開挖隧道一側(cè)，自上而下進(jìn)行，遵循短臺階、快成環(huán)的施工原則，對控制地表沉降具有顯著效果，多應(yīng)用于對地表沉降要求較高的城市地鐵隧道。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是利用兩個(gè)中隔墻將隧道斷面分割成3個(gè)小導(dǎo)洞進(jìn)行，左右兩個(gè)鵝蛋形的導(dǎo)洞先進(jìn)行開挖，及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)封閉，然后進(jìn)行中間斷面開挖。

圖1 施工開挖步序

2 地層變形分析

2.1 臺階法

圖2分別給出了上臺階開挖和全斷面開挖完成后的位移云圖，可以看出，上臺階開挖對地層變形的影響最為顯著，上臺階開挖完成后，拱頂沉降約為4.4 mm，下臺階部分圍巖出現(xiàn)輕微隆起現(xiàn)象，仰拱中心隆起約2.5 mm。下臺階開挖完成后，拱頂沉降增加至5.9 mm?？梢缘贸?，上臺階開挖引起的拱頂沉降約占總沉降值的74.6%，說明上臺階施工中應(yīng)注意臺階超前長度的控制，及時(shí)施做初期支護(hù)，防治圍巖發(fā)生較大變形。

圖2 臺階法施工位移云圖

圖3 給出了施工過程中地表沉降變化情況。上臺階開挖完成后地表沉降值為2.3 mm，與拱頂沉降規(guī)律類似，上臺階開挖引起的地表沉降約占總沉降量的70%左右，由此可知，上臺階開挖關(guān)系著整個(gè)工程的成敗，是控制地表沉降的關(guān)鍵。實(shí)際工程采用臺階法施工時(shí)，可以采取加固措施，以便于有效控制地層沉降。整個(gè)斷面開挖完成后，斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)及時(shí)封閉成環(huán)，地表沉降增量為3.3 mm。另外可以發(fā)現(xiàn)，地表沉降槽寬度有所增加，說明橫向影響范圍在增加。

圖3 臺階法施工地表沉降槽

2.2 交叉中隔墻法

圖4 給出了交叉中隔墻法施工過程中圍巖變形云圖?？梢钥闯?，交叉中隔壁法施工過程中圍巖變形由非對稱狀態(tài)逐漸過渡為對稱狀態(tài)。上部兩個(gè)導(dǎo)洞完全開挖完成后拱頂沉降會突然增大，同時(shí)地表沉降槽也出現(xiàn)顯著增大，這主要是由于上部第二個(gè)導(dǎo)洞開挖完成后，隧道洞徑突增一倍，導(dǎo)致地表大范圍沉降。隧道前三個(gè)導(dǎo)洞的開挖引起的沉降曲線呈非對稱分布，隧道開挖完成后，地層變形關(guān)于隧道中軸線對稱分布，見圖5?？傮w來講，交叉中隔墻法引起的地表沉降值小于臺階法。

圖4 交叉中隔墻法施工位移云圖

圖5 交叉中隔墻法施工地表沉降槽

2.3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

圖6 給出了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程中引起的圍巖豎向位移云圖?？梢钥闯?，核心土的開挖是引起沉降控制的關(guān)鍵步序，核心土開挖也是采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖時(shí)控制沉降產(chǎn)生的關(guān)鍵步驟，對沉降控制有較大影響。核心土開挖完成后地表沉降值為3 mm，拱頂沉降48 mm，核心土開挖引起的地表沉降約占總沉降量的60%以上。由于核心土的開挖在最后一步，左右導(dǎo)坑開挖引起的地表沉降峰值并不在隧道中心線上，見圖7，類似于小凈距隧道開挖引起的地表沉降曲線。

圖6 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工位移云圖

圖7 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工地表沉降槽

3 不同施工方法對比分析

圖8給出了不同施工方法引起的地表沉降槽?？梢钥闯鍪┕し椒ú煌乇沓两挡煌渲信_階法引起的地表變形最大，約為3.3 mm，其次是交叉中隔壁法，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的地表沉降最小，在控制地表變形方面最有效。但不同方法引起的沉降槽形狀基本一致，沉降槽寬度基本一致。

圖8 地表沉降槽曲線對比

4 結(jié)語

通過數(shù)值模擬，研究了臺階法、交叉中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等不同施工方法作用下，圍巖變形及地表沉降槽變化規(guī)律。結(jié)果表明：（1）施工方法不同地表沉降不同，其中臺階法引起的地表變形最大，約為3.3 mm。（2）交叉中隔壁法，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的地表沉降最小，在控制地表變形方面最有效。但不同方法引起的沉降槽形狀基本一致，沉降槽寬度基本一致。