淺埋小間距隧道開挖圍巖變形及控制對策

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(yīng)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(jié)構(gòu)薄弱部位,為施工方案提供理論依據(jù)和決策支持。研究表明,不同的施工順序引發(fā)不同的施工力學(xué)狀態(tài),進而引起不同的施工力學(xué)效應(yīng),隧道開挖先后順序不同對圍巖區(qū)域、幅度的擾動也不同。以北京地鐵某車站的實測為基礎(chǔ),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(yīng)的工程措施。

關(guān)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(guī)模地下空間開發(fā)利用的蓬勃發(fā)展,由地下工程開挖而引發(fā)的環(huán)境問題(主要是指施工過程中由地層變形失控所引起環(huán)境災(zāi)害,包括地面建筑物、道路、管線等構(gòu)筑物的損害)已成為城市現(xiàn)代化建設(shè)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(huán)境保護具有十分重要的意義。其中,關(guān)于城市地鐵開挖順序的優(yōu)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(qū)間隧道洞群工程具有分期分部開挖、逐步形成洞室設(shè)計體型的特點,加之隧道圍巖具有非線性力學(xué)特性,隧道施工導(dǎo)致隧道初期支護、主體結(jié)構(gòu)和圍巖的力學(xué)狀態(tài)為不可逆的非線性演化過程。它的最終狀態(tài)(或最終解)不是唯一的,而是與過程相關(guān),或說是與圍巖應(yīng)力路徑或應(yīng)力歷史相關(guān)的。顯然,隧道施工方案的確定以及優(yōu)化就有一個過程的優(yōu)化問題,在施工前進行動態(tài)施工力學(xué)的優(yōu)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(jié)合信息化動態(tài)施工,確保施工及環(huán)境安全始終處于安全可控制狀態(tài)。

2工程概況

某地鐵車站位于北京宣武門內(nèi)、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(cè)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(fēng)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(fēng)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(gòu)筑物主要有蓋板河(其底板距車站雙層斷面頂部凈距為)和既有環(huán)線車站(其底板與車站單層斷面頂部凈距為)。由于距離近,車站暗挖施工時應(yīng)采取可靠措施確保地下構(gòu)筑物的正常使用和車站的施工安全。

本站施工范圍內(nèi)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(yè)時,需采取可靠措施控制沉降,保證環(huán)境安全。

3數(shù)值計算模型及結(jié)果分析

計算模型及物理參數(shù)

模擬計算中土體采用Mohr-Coulomb模型,計算模型及網(wǎng)絡(luò)劃分見圖3。

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。

計算結(jié)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(chǎn)生的位移場呈現(xiàn)非均勻、局部集中化狀態(tài)。隧道底板兩側(cè)的部位圍巖變形位移較大,在隧道頂、底板及兩幫產(chǎn)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(chǎn)生的位移場呈現(xiàn)非均勻分布、非線性變化。-

隧道位移曲線呈現(xiàn)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(yīng)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。

實測結(jié)果

在實際施工中,優(yōu)選采用了方案2,實際量測的沉降結(jié)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(dǎo)洞通過該斷面作為一步。圖8為8個小導(dǎo)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(jié)果綜合分析可以得出地表沉降的如下特點:

①導(dǎo)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。位于車站K7+780右中導(dǎo)洞上方,受導(dǎo)洞開挖影響,地表沉降速率最大時為-/d,導(dǎo)洞全部開挖完成后地表沉降已趨于穩(wěn)定。

②根據(jù)地表縱向累計沉降圖,施工通道及蓋板河上方附近區(qū)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(zhì)主要為粘土層,自穩(wěn)能力較好,而沉降較大的兩個區(qū)域主要為粉質(zhì)沙土層,自穩(wěn)能力差,且該段地層內(nèi)管線分布較多,局部滲水較嚴(yán)重。K7+800～+825段更是位于導(dǎo)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(jù)地表橫向分步累計沉降圖,導(dǎo)洞施工導(dǎo)致地表沉降的范圍為車站中線左右25m范圍之內(nèi),導(dǎo)洞沉降主要發(fā)生在導(dǎo)洞正上方,車站中線12m外,地表累計沉降即迅速減小。

④根據(jù)地表測點累計沉降歷時曲線圖,測點累計沉降主要發(fā)生在導(dǎo)洞開挖通過測點的階段;洞內(nèi)挖孔樁施工對地層變位影響較小,期間地表沉降速率約為/d,但持續(xù)時間較長。

4施工控制對策

超前注漿預(yù)加固

由于該隧道處于細(xì)砂及砂卵石層中,導(dǎo)洞開挖之前,必須對導(dǎo)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。

超前大管棚

上導(dǎo)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(yù)留注漿孔,注水泥漿對地層加固。

下導(dǎo)洞處于砂卵石層中,采用超前小導(dǎo)管注漿加固。

控制施工步序

①拱部環(huán)形開挖預(yù)留核心土,上臺階控制3m左右,下臺階緊跟,及時封閉成環(huán)。

②初支成環(huán)后及時背后注漿回填,減少巖層二維應(yīng)力持續(xù)時間,縮短三維應(yīng)力形成時間。盡快達到新的應(yīng)力平衡。

③相鄰上下導(dǎo)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。

信息化動態(tài)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(yīng)力狀態(tài)的改變將直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移和變形,同時也會對地表及周邊環(huán)境造成一定的影響。當(dāng)這種位移和影響超出一定范圍,必然對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞,并影響到上方地表和臨近建筑的安全使用。充分發(fā)揮監(jiān)測的指導(dǎo)作用,根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的變化情況,及時調(diào)整施工組織及工序,使施工處于安全狀態(tài)。

5結(jié)語

①隧道施工導(dǎo)致隧道初期支護、主體結(jié)構(gòu)和圍巖的力學(xué)狀態(tài)為不可逆的非線性演化過程,它的最終狀態(tài)(或最終解)不是唯一的,而是與過程相關(guān)。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(yīng)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(huán)境安全。

③應(yīng)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(yīng)力場變化特征的數(shù)值模擬研究,所得結(jié)論適用于軟巖隧道情況,對確定軟巖隧道的關(guān)鍵部位及在關(guān)鍵部位實施有效的耦合支護措施,有重要指導(dǎo)意義。

④施工過程中必須加強施工監(jiān)測,根據(jù)監(jiān)測成果實施動態(tài)施工,以確保施工安全。

參考文獻:

[1]孫鈞,汪炳監(jiān).地下結(jié)構(gòu)有限元法分析[M].上海:同濟大學(xué)出版社,1988.

GB50299-1999,地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,1999.

徐林生,孫鈞,蔣樹屏.洋碰隧道CRD工法施工過程的動態(tài)仿真數(shù)值模擬研究[J].地