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(jī)理進(jìn)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(hù)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(jìn)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(dòng)也不同。以北京地鐵某車站的實(shí)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(jìn)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(gè)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(hù)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(gè)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(jì)體型的特點(diǎn),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(hù)、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(gè)過程的優(yōu)化問題,在施工前進(jìn)行動(dòng)態(tài)施工力學(xué)的優(yōu)化分析及圍巖變形機(jī)理及對策研究,以便采取合理的開挖順序、適時(shí)有效的支護(hù)方案,結(jié)合信息化動(dòng)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(huì)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(jìn)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1.77m)和既有環(huán)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(shí)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?！ ”菊臼┕し秶鷥?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(jìn)行暗挖作業(yè)時(shí),需采取可靠措施控制沉降,保證環(huán)境安全。3 數(shù)值計(jì)算模型及結(jié)果分析3.1 計(jì)算模型及物理參數(shù) 模擬計(jì)算中土體采用Mohr-Coulomb模型,計(jì)算模型及網(wǎng)絡(luò)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?yàn)?、2、3、4、5、6、7、8,施工開挖對比方案2順序?yàn)?、1、3、7、6、8、2、5。3.3計(jì)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(jì)沉降量也不一樣,方案1累計(jì)沉降量為36mm,而方案2累計(jì)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(jìn)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(kuò)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(shí)測結(jié)果 在實(shí)際施工中,優(yōu)選采用了方案2,實(shí)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(jì)沉降圖,其中以每個(gè)小導(dǎo)洞通過該斷面作為一步。圖8為8個(gè)小導(dǎo)洞全部通過后的5條縱向主體地表的累計(jì)沉降分布曲線。圖9為典型測點(diǎn)累計(jì)沉降歷時(shí)曲線圖。由圖7、圖8、圖9的實(shí)際量測結(jié)果綜合分析可以得出地表沉降的如下特點(diǎn): ①導(dǎo)洞施工階段,車站上方地表累計(jì)沉降平均為35mm左右,累計(jì)沉降最大為46.91mm。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(shí)為-3.8mm/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(jì)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?yàn)槭┕ねǖ啦课煌临|(zhì)主要為粘土層,自穩(wěn)能力較好,而沉降較大的兩個(gè)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(kuò)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(jì)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(jì)沉降即迅速減小。 ④根據(jù)地表測點(diǎn)累計(jì)沉降歷時(shí)曲線圖,測點(diǎn)累計(jì)沉降主要發(fā)生在導(dǎo)洞開挖通過測點(diǎn)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0.1mm/d,但持續(xù)時(shí)間較長。4 施工控制對策4.1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(jìn)行注漿加固。注漿采用酸性水玻璃,施工時(shí)注意酸性水玻璃凝固的時(shí)效性。4.2超前大管棚 上導(dǎo)洞處于砂層,采用φ121大管棚進(jìn)行超前支護(hù)。大管棚采用夯管錘夯進(jìn),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。4.3控制施工步序 ①拱部環(huán)形開挖預(yù)留核心土,上臺(tái)階控制3m左右,下臺(tái)階緊跟,及時(shí)封閉成環(huán)。 ②初支成環(huán)后及時(shí)背后注漿回填,減少巖層二維應(yīng)力持續(xù)時(shí)間,縮短三維應(yīng)力形成時(shí)間。盡快達(dá)到新的應(yīng)力平衡。 ③相鄰上下導(dǎo)洞間錯(cuò)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(dòng)態(tài)施工 以往的理論研究和施工實(shí)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(shí)也會(huì)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(shí)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(hù)、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(hù)隧道上部建筑物、管線等,同時(shí)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(jì)算程序,對淺埋、小間距隧道群進(jìn)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(shí)施有效的耦合支護(hù)措施,有重要指導(dǎo)意義。 ④施工過程中必須加強(qiáng)施工監(jiān)測,根據(jù)監(jiān)測成果實(shí)施動(dòng)態(tài)施工,以確保施工安全。參考文獻(xiàn):[1]孫鈞,汪炳鑑.地下結(jié)構(gòu)有限元法分析[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1988.[2] GB50299-1999,地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].北京:中國計(jì)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(dòng)態(tài)仿真數(shù)值模擬研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2001,12(1).[4]丁春林,王春河.雙線隧道暗挖施工技術(shù)及數(shù)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(shù)的探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,(3).[6]吳波,高波,漆泰岳,等.城市地鐵區(qū)間隧道洞群開挖順序優(yōu)化分析[J].中國鐵道科學(xué),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(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(jìn)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1.77m)和既有環(huán)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(shí)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?！ ”菊臼┕し秶鷥?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(jìn)行暗挖作業(yè)時(shí),需采取可靠措施控制沉降,保證環(huán)境安全。3 數(shù)值計(jì)算模型及結(jié)果分析3.1 計(jì)算模型及物理參數(shù) 模擬計(jì)算中土體采用Mohr-Coulomb模型,計(jì)算模型及網(wǎng)絡(luò)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?yàn)?、2、3、4、5、6、7、8,施工開挖對比方案2順序?yàn)?、1、3、7、6、8、2、5。3.3計(jì)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(jì)沉降量也不一樣,方案1累計(jì)沉降量為36mm,而方案2累計(jì)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(jìn)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(kuò)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(shí)測結(jié)果 在實(shí)際施工中,優(yōu)選采用了方案2,實(shí)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(jì)沉降圖,其中以每個(gè)小導(dǎo)洞通過該斷面作為一步。圖8為8個(gè)小導(dǎo)洞全部通過后的5條縱向主體地表的累計(jì)沉降分布曲線。圖9為典型測點(diǎn)累計(jì)沉降歷時(shí)曲線圖。由圖7、圖8、圖9的實(shí)際量測結(jié)果綜合分析可以得出地表沉降的如下特點(diǎn): ①導(dǎo)洞施工階段,車站上方地表累計(jì)沉降平均為35mm左右,累計(jì)沉降最大為46.91mm。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(shí)為-3.8mm/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(jì)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?yàn)槭┕ねǖ啦课煌临|(zhì)主要為粘土層,自穩(wěn)能力較好,而沉降較大的兩個(gè)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(kuò)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(jì)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(jì)沉降即迅速減小。 ④根據(jù)地表測點(diǎn)累計(jì)沉降歷時(shí)曲線圖,測點(diǎn)累計(jì)沉降主要發(fā)生在導(dǎo)洞開挖通過測點(diǎn)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0.1mm/d,但持續(xù)時(shí)間較長。4 施工控制對策4.1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(jìn)行注漿加固。注漿采用酸性水玻璃,施工時(shí)注意酸性水玻璃凝固的時(shí)效性。4.2超前大管棚 上導(dǎo)洞處于砂層,采用φ121大管棚進(jìn)行超前支護(hù)。大管棚采用夯管錘夯進(jìn),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。4.3控制施工步序 ①拱部環(huán)形開挖預(yù)留核心土,上臺(tái)階控制3m左右,下臺(tái)階緊跟,及時(shí)封閉成環(huán)。 ②初支成環(huán)后及時(shí)背后注漿回填,減少巖層二維應(yīng)力持續(xù)時(shí)間,縮短三維應(yīng)力形成時(shí)間。盡快達(dá)到新的應(yīng)力平衡。 ③相鄰上下導(dǎo)洞間錯(cuò)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(dòng)態(tài)施工 以往的理論研究和施工實(shí)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(shí)也會(huì)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(shí)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(hù)、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(hù)隧道上部建筑物、管線等,同時(shí)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(jì)算程序,對淺埋、小間距隧道群進(jìn)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(shí)施有效的耦合支護(hù)措施,有重要指導(dǎo)意義。 ④施工過程中必須加強(qiáng)施工監(jiān)測,根據(jù)監(jiān)測成果實(shí)施動(dòng)態(tài)施工,以確保施工安全。參考文獻(xiàn):[1]孫鈞,汪炳鑑.地下結(jié)構(gòu)有限元法分析[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1988.[2] GB50299-1999,地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].北京:中國計(jì)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(dòng)態(tài)仿真數(shù)值模擬研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2001,12(1).[4]丁春林,王春河.雙線隧道暗挖施工技術(shù)及數(shù)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(shù)的探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,(3).[6]吳波,高波,漆泰岳,等.城市地鐵區(qū)間隧道洞群開挖順序優(yōu)化分析[J].中國鐵道科學(xué),2003,10(5).
