浅埋暗挖隧道施工性态的数值模拟与分析

 

引 言

 

 在地铁隧道施工中, 由于隧道开挖将造成土体应力重分布, 因此在一定的土体环境中, 隧道的开挖方式对隧道稳定性及地表沉降影响尤为显著[1]。不同的施工程序, 在时空上相当于荷载以不同的方式施加在隧道上[2], 尤其对于浅埋隧道, 覆土厚度较小, 围岩松散, 自承能力差, 隧道开挖引起很大的地表沉降, 往往造成周边建筑物破损、倾斜甚至倒塌。因此研究隧道施工工序对隧道稳定及地表沉降的影响具有重要意义[3]。本文即对北京地铁 10 号线某标段单洞双层通道的施工工序引起的地表沉降及拱顶沉降进行了数值模拟与分析。

 

1 工程简介

 

 北京地铁 10 号线某标段与车站结构相联部位设4 个出入口通道, 每个通道在中洞和侧洞之间的部分为单洞双层通道, 其余部分为单层通道, 均采用暗挖法施工。东南和东北出入口通道, 中洞和侧洞之间双层部分长度为 6.94 m, 双层通道的开挖尺寸宽×高为6600 mm×12000 mm, 初期支护结构厚度为 300 mm,二衬结构厚度为 500 mm, 二衬净空尺寸宽×高为5000 mm×10100 mm。见图 1, 土层参数见表 1。2 地表变形分析

 

2.1 地表沉降 理论 分析

 

 预测地面沉降量及影响范围的常用的 方法 有边界元法、有限元法、根据实测数据的统计方法等。其中 应用 较多的是 Peck 提出的经验公式[3]:式中: S( x) 为距离隧道中线 x 处的地面沉降量,m; S( max) 为隧道中线 x=0 处的地面沉降量, m; x 为距隧道中线的距离, m; i 为沉降槽的宽度系数, 即沉陷曲线反弯点的横坐标, m。

 

Peck 假定横向沉陷曲线为正态分布曲线。当横向沉陷曲线为正态分布曲线时, Smax 与沉降槽体积 VS满足下列关系:沉降槽的宽度系数 i 取决于接近地表的强度, 隧道埋深和隧道半径。通过在均匀介质中试验, 得到近似的几何关系是:式中: Z 为隧道开挖面中心至地面的距离, m; R 为隧道半径, m; K, n 为试验系数, K=0.63￣0.82, n=0.36￣0.97。

 

 由以上经验理论可知, 地层沉降沿深度在任一横断面呈正态分布, 最大沉降位于隧道中心位置处, 随着隧道埋深 Z 的不断增加, 地表最大沉降值也不断增大, 在隧道拱顶位置处沉降值达到最大。

 

2.2 数值模拟

 

 本文分析采用了 Mohr-Coulomb 塑性模型[4], 有限差分 计算 方法对单洞双层隧道开挖过程进行模拟,其中初衬、临时支护均用梁单元, 小导管注浆作用通过提高土体的弹性模量及 c、Ф 值来进行模拟。目前世界上单洞双层隧道并不多见, 但是在隧道的出入口与车站中洞与侧洞相连的部位, 单洞双层通道较多,只是长度较短, 施工往往被忽视。而此处恰是车站与侧洞单洞单层通道的过渡, 对它施工所引起的地层扰动, 直接影响到测洞和车站的施工。本文完全模拟了双层通道施工的动态过程, 先进行第①步拱部超前小导管注浆, 台阶法开挖①步土体, 铺设Ф6- 150×150钢筋网, 架格栅并作格栅锁脚锚杆, 隧道支护参数见表 2, 喷混凝土作初衬。然后依次进行第②～⑥步的施工, 见图 2。

 

2.3 分部开挖引起的地表沉降分析

 

 在进行分步开挖计算时, 取隧道中线为零点, 开挖水平影响范围约为隧道跨度的 15 倍, 以减小模型的边界约束效应, 使模型更能真实地反映开挖引起的沉降, 竖向影响范围为隧道开挖深度的 5 倍, 建立了100 m×60 m 的网格[5-6], 见图 3, 以隧道中心点为对称点对地表 18 个点进行了地表竖向位移的监测和数据采集, 有关分步开挖地表的沉降分布形态见图 4。第一步导洞①开挖, 地表最大沉降量模拟计算值为36 mm, 地表沉降呈正态分布, 现场实测最大沉降量为 34.65 mm , 第二步开挖地表模拟计算值最大沉降量为 38.149 mm, 实测值为 37.7 mm, 沉降槽的宽度没有变化, 水平影响范围也没有增加, 在-40 m ～+40 m 处沉降曲线几乎重合, 说明随着隧道进一步开挖, 地表沉降曲线沉降槽的宽度没有变化, 沉降量略有增加。本文也模拟了当第二步开挖先开挖导洞③后地 表 变 形 的 情 况 , 开 挖 面 上 对 应 的 地 表 出 现 了18.165 mm 的隆起, 与第一步开挖导洞地层的变形完全相反, 沉降槽的宽度也明显增加, 不利于地层的稳定沉降。进行第三步导洞③的开挖后, 地表最大沉降发生在距离隧道中线- 2.45 m 处, 沉降量为 20.637 mm,沉降槽右移; 第四步导洞④开挖完成后, 地表的最大变形发生在距离隧道中线 12.4 m 处, 隆起量为10.55 mm, 同时在距离隧道中线- 17.4 m 处发生了7.436 mm 的地表最大沉降, 沉降曲线表明右侧导洞④的开挖引起沉降槽向 x轴负方向移动, 但并不是简单的平移, 以隧道中心线为中心 0～40 m 之间的地表均有不同程度的隆起, 大于 20 m 的范围地表沉降的趋势与导洞③开挖地表沉降的趋势一致, 沉降槽的最低点在中心线附近, 沉降曲线表明地层变形很平缓。说明该施工过程有利于地表沉降的控制。第五步导洞⑤开挖后, 地表最大变形发生在距离隧道中线 7.44 m处, 最大沉降量为 45.759 mm, 最大隆起发生在距离隧道中线- 22.4 m 处, 隆起值为 7.08 mm, 沉降槽的宽度比第一步、第二步开挖时沉降槽的宽度增加20%左右, 并且沉降槽偏移, 与实际施工性态相符,此时正是进行导洞⑤的开挖; 第六步导洞⑥开挖, 隧道中心点附近- 2.45 m 处地表发生 37.596 mm 的沉降, 最大隆起发生在距离隧道中线- 22.4 m 处, 隆起值为 11.03 mm, 沉降槽的宽度有所收敛, 比第一步、第二步开挖的沉降槽宽度减小 5%左右, 并且沉降槽向隧道中线偏移, 此时单洞双层隧道开挖完毕。

 

 从以上数值 分析 , 可以看出分步施工中, 隧道先期导洞偏挖时, 沉降槽向未开挖一侧偏移; 在右侧导洞③④开挖时, 可以认为开挖沉降槽是新形成的, 但是新的沉降槽反映出导洞③④开挖对地层的扰动没有初始开挖对地层的扰动大, 并且新的沉降槽是受先期地层沉降 影响 的, 有利于对施工引起的地表沉降进行控制。图 5 是模拟第三步施工先开挖导洞⑤引起的地表沉降曲线, 随着隧道开挖深度的增加, 地表沉降继续 发展 , 最大沉降量达 60 mm, 在开挖跨度 3.3 m 范围内, 地表沉降均在 60 mm 左右, 说明此时衬砌受到的围岩压力很大, 沉降槽的宽度收敛, 表明沉降槽的宽度与形状受隧道开挖面的形状影响较大。

 

 在开挖过程中, 拱顶的沉降见图 6, 随着施工步的进行, 拱顶的沉降呈线性, 但是距离隧道中线-3 m的拱顶沉降变化很小, 随着施工步的进行, 拱顶的沉降值逐渐变为正值, 与实测相符。拱顶由于小导管注浆加固地层, 衬砌刚度比较大, 因此拱顶的地层变形呈线性。拱顶土体主应力的变化见图 7, 开挖初始第一、第二步, 拱顶土体主应力最大值为 180 kPa, 距离隧道中线- 0.912 m 处, 主应力值为零。随着开挖步的进行, 隧道初衬的施作, 远离隧道中线处隧道右侧, 拱顶土体主应力逐渐增加, 隧道中线左侧第一开挖步 15 m 范围内, 拱顶土体主应力变化不大, 基本一致。3 结 语

 

 本文以北京地铁 10 号线某标段车站与出入口衔接处的单洞双层隧道工程为 研究 对象, 对该区域隧道施工引起的地表沉降进行了数值模拟分析, 探索了单洞双层隧道施工一次性开挖成洞及隧道分步开挖引起的地表沉降槽的变化形态, 分析了因施工工序不同偏挖引起的地表变形的 规律 , 拱顶沉降及拱顶主应力的变化规律。研究表明:

 

 ( 1) 在断面形状尺寸, 土层参数、地质条件相同的条件下, 单洞双层隧道施工一次性开挖成洞, 会造成大范围的地表沉降, 甚至洞孔坍塌。合理地分步开挖、及时施作衬砌有效地控制了地表变形和洞周位移。

 

 ( 2) 施工工序不同使隧道的偏挖引起地表沉降槽向未开挖一侧偏移, 表明隧道在开挖过程中地层最大沉降并不发生在隧道中线处, 而在完成全部开挖, 地层变形稳定后, 其累计沉降最大值位于隧道中线处。

 

 ( 3) 沉降槽的形状受隧道开挖断面形状与开挖深度影响, 隧道中线右侧导洞③④的开挖形成的地表沉降槽表明第三、四步开挖对地表变形的影响均小于第一、二步开挖对地表变形的影响。

 

 ( 4) 隧道开挖衬砌完全施作后, 地表沉降变化不大, 但是后序开挖步引起的结构内力应予以重视, 尤其对于中隔壁支撑及拱底衬砌的支护, 要及时施作拱底二次衬砌。

 

参 考 文 献

 

[ 1] 孙钧. 地下工程设计 理论 与实践[ M] . 上海: 上海 科学 技术出 版 社 , 1996: 36- 42 ( Sun Jun.  The  Design Theory andPractice on Underground Engineering[ M] . Shanghai: Shanghai Scientific and Technical Publishers, 1996: 36- 42( inChinese))

 

[ 2] 吴波, 高波, 漆泰岳, 等. 城市地铁区间隧道洞群开挖顺序优化分析[ J] . 中国 铁道科学, 2003, 24( 5) : 23- 28( WuBo, Gao Bo, Qi Taiyue, et al. Optimization analysis of excavation sequence of tunnel groups between metro stations [ J] . China Railway Science, 2003, 24 ( 5) : 23 - 28 ( in Chinese))

 

[ 3] 施仲衡, 张弥, 王新杰, 等. 地下铁道设计与施工[ M] . 西安: 陕西科学技术出版社, 1997: 69- 75 ( Shi Zhongheng,Zhang Mi, Wang Xinjie, et al. Design and construction of metro[ M] . Xi’an: Shanxi Scientific and Technical Publishers,1997: 69- 75( in Chinese))

 

[ 4] 刘波, 韩彦辉( 美国) . FLAC 原理、实例与 应用 指南[ M] .北京: 人民 交通 出版社, 2005: 12- 20( Liu Bo, Han Yanhui( U.S.A) .FLAC Theory, Example and Application Manual

 

[ M] .Beijing: China Communications Press, 2005: 12- 20( inChinese))

 

[ 5] Itasca Consulting Group, Inc. FLAC( Fast Lagrangian Analysisof Continua) User’s Manuals, Version5.0[ M] . Minneapolis:Itasca Consulting Group, Inc., 2005

 

[ 6] Donovan K, Pariseau W G, Cepak M. Finite element ap-proach to cable bolting in steeply dipping VCR slopes[ M] //Geomechanics Application in Underground Hardrock Min-ing. New York: Society of Mining Engineers, 1984: 65- 90