浅埋暗挖施工对地表影响探究

2016-11-10刘静田晓艳何秀贞

安徽建筑 2016年4期

关键词：断面隧道变形

刘静，田晓艳，何秀贞

（1.西安石油大学机械工程学院，陕西　西安　710065；2.山东寿光第一建筑有限公司，山东　寿光　262700）

浅埋暗挖施工对地表影响探究

刘静1，田晓艳1，何秀贞2

（1.西安石油大学机械工程学院，陕西西安710065；2.山东寿光第一建筑有限公司，山东寿光262700）

地铁施工过程中最大的环境问题就是地表沉降，过大的沉降对周边环境造成极大的威胁。文章以西安地铁3号线延兴门站～咸宁路站区间浅埋暗挖段为依托，首先通过FLAC3D对不同的施工方法引起的地表变形进行数值模拟，通过比较研究得出该区段合理的施工方案，然后针对该施工方案引起的地表沉降进行现场监测，通过分析监测数据，既验证了数值模拟的可行性，又总结得出隧道开挖过程影响地表沉降变形的特征和规律。

浅埋暗挖；数值模拟；地表沉降；现场监测

1　概述

随着城市化进程的飞快发展，城市人口高度集中，交通工具密集［1］，为缓解地面交通压力，近年来许多国家大中城市纷纷兴起了大规模建造地铁和轻轨的热潮，开发地下空间。地下工程施工会引起地层出现不同程度的沉降，由于施工技术及周围环境和岩土介质的复杂性，即使采用最先进的施工方法，其施工引起的地层移动也是不可能完全消除的，所以地表沉降一直是城市地铁隧道开挖过程中较为关注的问题［2］。针对该问题国内外的大量学者都进行过相关研究，最具代表性的是Rathe Peck早在1969年［3］提出的横向沉降槽经验公式，且已在中国隧道工程中得到广泛应用［4-7］，国内关宝树等［8］亦对浅埋暗挖隧道开挖过程中纵向沉降的规律进行了研究。随着计算机方法的迅速发展，数值模拟［9］、人工智能预测［10］等己在该领域已得到广泛的应用，国内在深圳、北京等地的地铁建设过程中，工程人员和学者们都针对当地的地质对地表沉降进行了广泛的研究［11］，为后续的施工提供了宝贵的经验［12-13］。但由于各地土质的具体性和复杂性，各地的沉降规律亦有差异，本文研究具有黄土特性的西安城市，首先采用FLAC3D对各种不同的浅埋暗挖法引起的地表沉降进行数值模拟，综合考虑各种因素，得出合理的施工方案，然后对其进行跟踪监测，获得了可靠的动态实测数据，研究隧道开挖过程中地表变形的规律，分析产生沉降的原因及建议采取有效措施，进而为类似土程施土减小对周边环境的影响提供借鉴。

2　工程概况

西安地铁3号线延兴门站～咸宁路站区间沿金花南路地下布设，区间隧道采用马蹄型断面，起讫里程为Z（Y）DK28+089.638～Z（Y）DK28+633.229，左线长544.917m，右线长543.591m，金花南路为南北向交通干道，地面车流及人流密集，道路两旁管线林立。

3　施工开挖方案的优选

采用FLAC3D软件对该段区域双线隧道进行数值模拟，模拟了浅埋暗挖法4种不同工况对地表沉降的影响，结果如图1、2所示。

图1　隧道开挖引起的地层竖向位移云图

图2　四种工法施工引起的地表沉降曲线图

结果表明：开挖后隧道上方土体沉降大致呈对称分布，地表最大沉降值发生在两隧道洞室的顶部，左线洞室上方沉降略大，所以在实际施工过程中应时刻监控其变化，且开挖后及时施做支撑，防止其顶部变形过大从而影响工程的正常施工。4种工法中上下台阶法引起的地表沉降最大，环形开挖预留核心土法次之，CRD工法引起的地表沉降较小，双侧壁导坑法最小。虽然CRD和双侧壁导坑法引起的沉降小，但施工工艺复杂且成本较高，所以本区段工程综合考虑各种因素，最终采用环形开挖预留核心土法施工（图3所示），开挖施工工序：超前小导管预注浆→拱部环形开挖→拱部环形初期支护→核心土开挖（必要时施工临时仰拱）→开挖下台阶→下台阶初期支护→拆除临时仰拱→二次衬砌，图中1、2、3、4为开挖顺序，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ为支护顺序。

图3　环形台阶留核心土法施工工序

4　地表沉降监测与分析

地表沉降观测点的埋设可采用深层沉降点和浅层沉降点。由于该地铁隧道区间位于交通特别繁忙地段，且不允许进行钻孔，可采用道路浅层设点的方法。由于本次初次测量时隧道左线施工已经滞后于隧道右线100多米，所以此次分析仅考虑隧道左线开挖对地表沉降的影响。

4.1纵向地表沉降分析

选择测点L2-1、L4-2、L6-3、L8-2进行分析，隧道左线单洞开挖过程中洞顶地面沉降随掌子面的变化曲线如图4所示。

图4　沉降随掌子面距离变化图

由图4知，隧道开挖引起的监测点沉降大致可分为如下四个阶段。

①超前微小下沉阶段

当工作面开挖到距测点距离相差-3D～1D时，地铁开挖即对地表产生影响，沉降量约占总沉降量的5%～15%。

②急剧变形阶段

当隧道工作面在1D～3D范围内时，地表变形快速增长，该段沉降量约占总沉降量的55%～65%，速度的最大点在开挖工作面附近。

③缓慢变形阶段

当隧道工作面在3D～5D范围时，变形速率减缓，该段沉降量约占总沉降量的15%～20%。

④稳定变形阶段

当隧道工作面超过5D后，沉降增长缓慢，增长速度变小，但沉降变化不大，趋于稳定。该段沉降量约占总沉降量的5%。

4.2横向地表沉降分析

为便于分析，该区段研究了断面ZDK28+172.425等6个断面，由于各监测断面随隧道掌子面的开挖沉降发展趋势变化一致，故选取ZDK28+172.425断面进行具体分析，如图5所示。

图5　断面ZDK28+172.425地表沉降曲线随时间变化图

由图5知，隧道开挖初期几天，左线隧道开挖掌子面离隧道较远，其沉降变化较小，7月14号时左线隧道开挖至该断面下方，地表出现较大沉降。随着开挖掌子面的进一步推进，地表沉降变化发展迅速，至8月25日，右线掌子面远离该断面，地表沉降变形趋于稳定。从沉降曲线的轮廓来看，基本接近于正态分布，基本符合Peck在《state of the art report》报告中提出的沉陷槽形状。