淺埋小間距隧道開挖圍巖變形及控制對策摘要:采用FLAC軟件對地表有相對硬殼層的粉沙層中隧道開挖之后地層的變形機理進行模擬,通過分析隧道開挖后圍巖變形的空間效應特性曲線,確定隧道開挖支護后引起的圍巖變形的幅度和范圍,找出隧道開挖最不利荷載工況和結構薄弱部位,為施工方案提供理論依據和決策支持。研究表明,不同的施工順序引發不同的施工力學狀態,進而引起不同的施工力學效應,隧道開挖先后順序不同對圍巖區域、幅度的擾動也不同。以北京地鐵某車站的實測為基礎,分析了粉沙地層中隧道施工不同工序引起的各部分變形情況,進而提出了相應的工程措施。關鍵詞:隧道;小間距;圍巖變形;控制對策1前言 隨著我國城市大規模地下空間開發利用的蓬勃發展,由地下工程開挖而引發的環境問題(主要是指施工過程中由地層變形失控所引起環境災害,包括地面建筑物、道路、管線等構筑物的損害)已成為城市現代化建設中的一個亟待解決的問題。因此,研究城市地下工程開挖過程中地表沉降及圍巖變形的有效控制問題,對于隧道周邊環境保護具有十分重要的意義。其中,關于城市地鐵開挖順序的優化分析、圍巖變形及控制對策研究是一個重要的研究課題。 由于城市地鐵區間隧道洞群工程具有分期分部開挖、逐步形成洞室設計體型的特點,加之隧道圍巖具有非線性力學特性,隧道施工導致隧道初期支護、主體結構和圍巖的力學狀態為不可逆的非線性演化過程。它的最終狀態(或最終解)不是唯一的,而是與過程相關,或說是與圍巖應力路徑或應力歷史相關的。顯然,隧道施工方案的確定以及優化就有一個過程的優化問題,在施工前進行動態施工力學的優化分析及圍巖變形機理及對策研究,以便采取合理的開挖順序、適時有效的支護方案,結合信息化動態施工,確保施工及環境安全始終處于安全可控制狀態。2工程概況 某地鐵車站位于北京宣武門內、外大街與宣武門東、西大街的交叉路口,附近地面建筑物主要有越秀飯店、莊勝崇光百貨、中國圖片社、市天主教愛國會南教堂,西北側有一、二層低矮平房。暗挖距建筑物較近,車站施工對周邊地面建筑物影響較大,見圖1。
宣武門車站是一座全暗挖車站,車站采用洞樁工法施工,風道、出入口通道及換乘通道采用CRD工法施工。車站寬24m,長189m,主要包括車站兩端雙層段、過既有地鐵站單層段、車站兩端雙層風道、四條出入口通道及與既有車站進行換乘的四條換乘通道。車站斷面見圖2。 橫穿車站的地下構筑物主要有蓋板河(其底板距車站雙層斷面頂部凈距為1.77m)和既有環線車站(其底板與車站單層斷面頂部凈距為1.9m)。由于距離近,車站暗挖施工時應采取可靠措施確保地下構筑物的正常使用和車站的施工安全。 本站施工范圍內熱力、電力、上水、下水、煤氣、電信等各種地下管線89條,均位于車站主體上方,進行暗挖作業時,需采取可靠措施控制沉降,保證環境安全。3 數值計算模型及結果分析3.1 計算模型及物理參數 模擬計算中土體采用Mohr-Coulomb模型,計算模型及網絡劃分見圖3。3.2隧道開挖布置 隧道開挖布置如圖4所示,施工開挖方案1施工順序為1、2、3、4、5、6、7、8,施工開挖對比方案2順序為4、1、3、7、6、8、2、5。3.3計算結果 (1)不同施工方案引起的地表沉降曲線如圖5、圖6所示。 從圖5、6可以看出,由于開挖部位的不同,引起的地表變形存在明顯的不同,如第一步開挖,方案1沉降槽中心約在-15m左右,而方案2沉降槽在5m左右。 施工順序不一樣,開挖引起的地表累計沉降量也不一樣,方案1累計沉降量為36mm,而方案2累計沉降量為32mm。 (2)方案1、2開挖引起圍巖位移對比見表2。 如表2所示,隧道在開挖之后,不同方案隨著開挖的進行,在隧道圍巖中產生的位移場呈現非均勻、局部集中化狀態。隧道底板兩側的部位圍巖變形位移較大,在隧道頂、底板及兩幫產生的位移量差異較大。由于受圍巖的影響,伴隨著隧道圍巖巖性的非均勻變化,在圍巖中產生的位移場呈現非均勻分布、非線性變化。 隧道位移曲線呈現明顯的各向異性變化特征。在隧道開挖后,隧道圍巖中卸壓范圍也即釋放應變能的范圍較大,同樣反映出隧道圍巖的變形能主要是沿著圍巖局部弱化的部位擴展釋放的。 由表2中各圖可以看出,開挖順序不同,圍巖的影響范圍和影響幅度不相同,方案1引起的圍巖變形幅度大而且影響范圍大。3.4實測結果 在實際施工中,優選采用了方案2,實際量測的沉降結果如圖7、圖8、圖9所示。 圖7為一橫向主斷面分步累計沉降圖,其中以每個小導洞通過該斷面作為一步。圖8為8個小導洞全部通過后的5條縱向主體地表的累計沉降分布曲線。圖9為典型測點累計沉降歷時曲線圖。由圖7、圖8、圖9的實際量測結果綜合分析可以得出地表沉降的如下特點: ①導洞施工階段,車站上方地表累計沉降平均為35mm左右,累計沉降最大為46.91mm。位于車站K7+780右中導洞上方,受導洞開挖影響,地表沉降速率最大時為-3.8mm/d,導洞全部開挖完成后地表沉降已趨于穩定。 ②根據地表縱向累計沉降圖,施工通道及蓋板河上方附近區域地表沉降較小,車站里程K7+765～+785、K7+800～+825段地表沉降較大。主要原因為施工通道部位土質主要為粘土層,自穩能力較好,而沉降較大的兩個區域主要為粉質沙土層,自穩能力差,且該段地層內管線分布較多,局部滲水較嚴重。K7+800～+825段更是位于導洞擴大段,且其上部土層主要為人工雜填土,空洞較多。 ③根據地表橫向分步累計沉降圖,導洞施工導致地表沉降的范圍為車站中線左右25m范圍之內,導洞沉降主要發生在導洞正上方,車站中線12m外,地表累計沉降即迅速減小。 ④根據地表測點累計沉降歷時曲線圖,測點累計沉降主要發生在導洞開挖通過測點的階段;洞內挖孔樁施工對地層變位影響較小,期間地表沉降速率約為0.1mm/d,但持續時間較長。4 施工控制對策4.1超前注漿預加固 由于該隧道處于細砂及砂卵石層中,導洞開挖之前,必須對導洞拱部進行注漿加固。注漿采用酸性水玻璃,施工時注意酸性水玻璃凝固的時效性。4.2超前大管棚 上導洞處于砂層,采用φ121大管棚進行超前支護。大管棚采用夯管錘夯進,先夯后取土,并預留注漿孔,注水泥漿對地層加固。 下導洞處于砂卵石層中,采用超前小導管注漿加固。4.3控制施工步序 ①拱部環形開挖預留核心土,上臺階控制3m左右,下臺階緊跟,及時封閉成環。 ②初支成環后及時背后注漿回填,減少巖層二維應力持續時間,縮短三維應力形成時間。盡快達到新的應力平衡。 ③相鄰上下導洞間錯開15m左右距離,減小相互間因開挖而造成的影響程度。4.4信息化動態施工 以往的理論研究和施工實踐均表明,在地下工程施工過程中,地層應力狀態的改變將直接導致結構產生位移和變形,同時也會對地表及周邊環境造成一定的影響。當這種位移和影響超出一定范圍,必然對結構產生破壞,并影響到上方地表和臨近建筑的安全使用。充分發揮監測的指導作用,根據監控量測數據的變化情況,及時調整施工組織及工序,使施工處于安全狀態。5 結語 ① 隧道施工導致隧道初期支護、主體結構和圍巖的力學狀態為不可逆的非線性演化過程,它的最終狀態(或最終解)不是唯一的,而是與過程相關。地表沉降槽是隨施工方案不同而不同,沉降槽中心隨開挖部位先后的不同而不同。 ② 由于開挖順序不一樣引起的地表沉降量和沉降槽的寬度也不一樣,在施工過程中應選擇合理的施工方案,有利于保護隧道上部建筑物、管線等,同時還要采取積極的施工措施確保隧道上方環境安全。 ③應用FLAC計算程序,對淺埋、小間距隧道群進行位移場、破壞場和應力場變化特征的數值模擬研究,所得結論適用于軟巖隧道情況,對確定軟巖隧道的關鍵部位及在關鍵部位實施有效的耦合支護措施,有重要指導意義。 ④施工過程中必須加強施工監測,根據監測成果實施動態施工,以確保施工安全。參考文獻:[1]孫鈞,汪炳鑑.地下結構有限元法分析[M].上海:同濟大學出版社,1988.[2] GB50299-1999,地下鐵道工程施工及驗收規范[S].北京:中國計劃出版社,1999.[3]徐林生,孫鈞,蔣樹屏.洋碰隧道CRD工法施工過程的動態仿真數值模擬研究[J].地質災害與環境保護,2001,12(1).[4]丁春林,王春河.雙線隧道暗挖施工技術及數值模擬研究[J].地下空間,2002,12(4).[5]周順華,張先鋒,佘才高,等.南京地鐵軟流塑地層淺埋暗挖法施工技術的探討[J].巖石力學與工程學報,2005,(3).[6]吳波,高波,漆泰岳,等.城市地鐵區間隧道洞群開挖順序優化分析[J].中國鐵道科學,2003,10(5).
宣武門車站是一座全暗挖車站,車站采用洞樁工法施工,風道、出入口通道及換乘通道采用CRD工法施工。車站寬24m,長189m,主要包括車站兩端雙層段、過既有地鐵站單層段、車站兩端雙層風道、四條出入口通道及與既有車站進行換乘的四條換乘通道。車站斷面見圖2。 橫穿車站的地下構筑物主要有蓋板河(其底板距車站雙層斷面頂部凈距為1.77m)和既有環線車站(其底板與車站單層斷面頂部凈距為1.9m)。由于距離近,車站暗挖施工時應采取可靠措施確保地下構筑物的正常使用和車站的施工安全。 本站施工范圍內熱力、電力、上水、下水、煤氣、電信等各種地下管線89條,均位于車站主體上方,進行暗挖作業時,需采取可靠措施控制沉降,保證環境安全。3 數值計算模型及結果分析3.1 計算模型及物理參數 模擬計算中土體采用Mohr-Coulomb模型,計算模型及網絡劃分見圖3。3.2隧道開挖布置 隧道開挖布置如圖4所示,施工開挖方案1施工順序為1、2、3、4、5、6、7、8,施工開挖對比方案2順序為4、1、3、7、6、8、2、5。3.3計算結果 (1)不同施工方案引起的地表沉降曲線如圖5、圖6所示。 從圖5、6可以看出,由于開挖部位的不同,引起的地表變形存在明顯的不同,如第一步開挖,方案1沉降槽中心約在-15m左右,而方案2沉降槽在5m左右。 施工順序不一樣,開挖引起的地表累計沉降量也不一樣,方案1累計沉降量為36mm,而方案2累計沉降量為32mm。 (2)方案1、2開挖引起圍巖位移對比見表2。 如表2所示,隧道在開挖之后,不同方案隨著開挖的進行,在隧道圍巖中產生的位移場呈現非均勻、局部集中化狀態。隧道底板兩側的部位圍巖變形位移較大,在隧道頂、底板及兩幫產生的位移量差異較大。由于受圍巖的影響,伴隨著隧道圍巖巖性的非均勻變化,在圍巖中產生的位移場呈現非均勻分布、非線性變化。 隧道位移曲線呈現明顯的各向異性變化特征。在隧道開挖后,隧道圍巖中卸壓范圍也即釋放應變能的范圍較大,同樣反映出隧道圍巖的變形能主要是沿著圍巖局部弱化的部位擴展釋放的。 由表2中各圖可以看出,開挖順序不同,圍巖的影響范圍和影響幅度不相同,方案1引起的圍巖變形幅度大而且影響范圍大。3.4實測結果 在實際施工中,優選采用了方案2,實際量測的沉降結果如圖7、圖8、圖9所示。 圖7為一橫向主斷面分步累計沉降圖,其中以每個小導洞通過該斷面作為一步。圖8為8個小導洞全部通過后的5條縱向主體地表的累計沉降分布曲線。圖9為典型測點累計沉降歷時曲線圖。由圖7、圖8、圖9的實際量測結果綜合分析可以得出地表沉降的如下特點: ①導洞施工階段,車站上方地表累計沉降平均為35mm左右,累計沉降最大為46.91mm。位于車站K7+780右中導洞上方,受導洞開挖影響,地表沉降速率最大時為-3.8mm/d,導洞全部開挖完成后地表沉降已趨于穩定。 ②根據地表縱向累計沉降圖,施工通道及蓋板河上方附近區域地表沉降較小,車站里程K7+765～+785、K7+800～+825段地表沉降較大。主要原因為施工通道部位土質主要為粘土層,自穩能力較好,而沉降較大的兩個區域主要為粉質沙土層,自穩能力差,且該段地層內管線分布較多,局部滲水較嚴重。K7+800～+825段更是位于導洞擴大段,且其上部土層主要為人工雜填土,空洞較多。 ③根據地表橫向分步累計沉降圖,導洞施工導致地表沉降的范圍為車站中線左右25m范圍之內,導洞沉降主要發生在導洞正上方,車站中線12m外,地表累計沉降即迅速減小。 ④根據地表測點累計沉降歷時曲線圖,測點累計沉降主要發生在導洞開挖通過測點的階段;洞內挖孔樁施工對地層變位影響較小,期間地表沉降速率約為0.1mm/d,但持續時間較長。4 施工控制對策4.1超前注漿預加固 由于該隧道處于細砂及砂卵石層中,導洞開挖之前,必須對導洞拱部進行注漿加固。注漿采用酸性水玻璃,施工時注意酸性水玻璃凝固的時效性。4.2超前大管棚 上導洞處于砂層,采用φ121大管棚進行超前支護。大管棚采用夯管錘夯進,先夯后取土,并預留注漿孔,注水泥漿對地層加固。 下導洞處于砂卵石層中,采用超前小導管注漿加固。4.3控制施工步序 ①拱部環形開挖預留核心土,上臺階控制3m左右,下臺階緊跟,及時封閉成環。 ②初支成環后及時背后注漿回填,減少巖層二維應力持續時間,縮短三維應力形成時間。盡快達到新的應力平衡。 ③相鄰上下導洞間錯開15m左右距離,減小相互間因開挖而造成的影響程度。4.4信息化動態施工 以往的理論研究和施工實踐均表明,在地下工程施工過程中,地層應力狀態的改變將直接導致結構產生位移和變形,同時也會對地表及周邊環境造成一定的影響。當這種位移和影響超出一定范圍,必然對結構產生破壞,并影響到上方地表和臨近建筑的安全使用。充分發揮監測的指導作用,根據監控量測數據的變化情況,及時調整施工組織及工序,使施工處于安全狀態。5 結語 ① 隧道施工導致隧道初期支護、主體結構和圍巖的力學狀態為不可逆的非線性演化過程,它的最終狀態(或最終解)不是唯一的,而是與過程相關。地表沉降槽是隨施工方案不同而不同,沉降槽中心隨開挖部位先后的不同而不同。 ② 由于開挖順序不一樣引起的地表沉降量和沉降槽的寬度也不一樣,在施工過程中應選擇合理的施工方案,有利于保護隧道上部建筑物、管線等,同時還要采取積極的施工措施確保隧道上方環境安全。 ③應用FLAC計算程序,對淺埋、小間距隧道群進行位移場、破壞場和應力場變化特征的數值模擬研究,所得結論適用于軟巖隧道情況,對確定軟巖隧道的關鍵部位及在關鍵部位實施有效的耦合支護措施,有重要指導意義。 ④施工過程中必須加強施工監測,根據監測成果實施動態施工,以確保施工安全。參考文獻:[1]孫鈞,汪炳鑑.地下結構有限元法分析[M].上海:同濟大學出版社,1988.[2] GB50299-1999,地下鐵道工程施工及驗收規范[S].北京:中國計劃出版社,1999.[3]徐林生,孫鈞,蔣樹屏.洋碰隧道CRD工法施工過程的動態仿真數值模擬研究[J].地質災害與環境保護,2001,12(1).[4]丁春林,王春河.雙線隧道暗挖施工技術及數值模擬研究[J].地下空間,2002,12(4).[5]周順華,張先鋒,佘才高,等.南京地鐵軟流塑地層淺埋暗挖法施工技術的探討[J].巖石力學與工程學報,2005,(3).[6]吳波,高波,漆泰岳,等.城市地鐵區間隧道洞群開挖順序優化分析[J].中國鐵道科學,2003,10(5).
