任建喜 王 丽 王 江 王东星 刘东洋 刘康辉 程 远

(西安科技大学建筑与土木工程学院,710054,西安∥第一作者,教授)

大断面黄土隧道双侧壁导坑法施工诱发地表沉降及隧道变形规律研究

任建喜 王 丽 王 江 王东星 刘东洋 刘康辉 程 远

(西安科技大学建筑与土木工程学院,710054,西安∥第一作者,教授)

以西安地铁3号线某区间双侧壁导坑法隧道工程为依托,采用FLAC3D模拟与现场实测相结合的方式,研究双侧壁导坑法施工引起的地表及隧道变形规律。研究结果表明:地表横向沉降曲线关于隧道中轴线对称分布,影响范围左右各30 m，可见，上导洞的开挖是造成地表沉降的主要原因；采用超前小导管注浆加固土体,有效控制了拱顶下沉；隧道开挖后两帮收敛值迅速增大,开挖面超前监测断面20 m时收敛趋于稳定；模拟结果与实测数据吻合较好,说明FLAC3D数值模拟软件能有效预测地层变形。

大断面黄土隧道; 双侧壁导坑法; 地表沉降; 变形规律; 数值模拟

地铁隧道浅埋暗挖法施工时将不可避免的扰动原土体,造成围岩变形和地表沉降[1-2]。城市建筑物密集,严格控制隧道开挖造成的地表沉降等具有重要意义[3～4]。西安地处黄土地区,地铁3号线某区间为满足停车线等要求,其净空断面面积为69.7 m2,属大断面隧道。国内学者对黄土地区隧道开挖引起的地层变形规律进行了一系列的研究,取得了一定的成果。文献[5]采用数值模拟的方法研究了浅埋暗挖法地铁隧道施工引起的地层空间变位;文献[6]采用现场实测的方式研究了黄土隧道开挖引起的地表下沉和围岩变形;文献[7]研究了黄土隧道开挖对周围土体变形的影响;文献[8]研究了大断面公路隧道双侧壁导坑法的优缺点及其施工要点。

上述研究为隧道浅埋暗挖法施工提供了一定的参考,但由于各地区地质情况差异较大,且在黄土地区双侧壁导坑法应用较少,因此有必要进行相关研究。以西安地铁3号线某区间为工程依托,采用FLAC3D数值模拟与现场实测相结合的方式,研究黄土地区地铁隧道采用双侧壁导坑法施工引起的地表沉降和隧道变形规律。

1 工程背景

1.1 工程概况

西安地铁3号线胡家庙站—石家街站区间暗挖段位于西安市金华北路地下,其沿线管线众多,人流车流密集,且线路穿越f3、f朝阳门地裂缝。为了满足停车线等工程要求,隧道断面尺寸较大。这在一定程度上增加了施工难度。为确保工程安全施工,研究决定胡家庙站—石家街站K31+929.298—K32+086.196区间左线采用双侧壁导坑法施工,并采用超前大管棚和小导管注浆加固土体。隧道埋深为7.5～10.5 m,其地质情况复杂,工序繁杂,施工难度较大。建成后可在一定程度上缓解城市交通压力。

1.2 工程地质条件

胡家庙站—石家街站区间场地地面高差较大,除东二环下隧道段以外,勘探点地面高程介于400.36～408.13 m。该区间由南向北依次跨越槐芽岭黄土梁、莲花池洼地、劳动公园黄土梁及八府庄洼地地貌单元。场地内50 m深度内地层为:地表分布有厚薄不均的全新统人工填土;其下为上更新统风积新黄土及残积古土壤,再下为中更新统风积老黄土,再下为冲积粉质黏土、粉土、细砂、中砂及粗砂等。具体各地基土物理力学性质见表1。地下潜水稳定水位埋深5.20～14.00 m之间,相应高程为392.24～397.33 m。地下水主要接受大气降水及侧向地下水径流补给,潜水排泄方式主要为侧向径流排泄。

表1 地层物理力学参数

1.3 双侧壁导坑法施工方案

研究区间隧道采用双侧壁导坑法施工,开挖宽12.63 m,高11.085 m。采用拱部φ108×6 mm大管棚,环向间距400 mm,沿拱部周边180°打设,超前小导管为φ 42.0 mm×3.5 mm进行超前支护,隔两榀打设一环,环间距为0.40 m。初期衬砌钢筋网为150 mm×150 mm,直径为8 mm,C25喷射早强混凝土的厚度为0.35 m,格栅钢拱架采用HPB 300,间距为0.5 m。开挖施工时，全断面分6部分依次开挖并进行支护(详见图1)。开挖步骤为：①1#导洞拱部超前小导管注浆施作,开挖后及时施作初期支护;②待1#导洞进尺5 m后进行2#导洞开挖,并保持5 m错距;③待1#导洞进尺15 m后进行3#导洞拱部超前小导管注浆施工,开挖后及时施作初期支护;④待3#导洞进尺5 m后进行4#导洞开挖并保持5 m错距;⑤待3#导洞进尺15 m后进行5#导洞拱部超前小导管施工,开挖后及时施作初期支护;⑥待5#导洞进尺5 m后进行6#导洞开挖,并保持5 m错距。施工中应及时施作锁角锚杆,尽早封闭成环,加强监测,并将监测结果反馈于施工。

图1 隧道结构断面示意图

2 隧道施工动态数值模拟

2.1 模型的建立

双侧壁导坑法的6步开挖对导洞开挖顺序要求较高,且施工工艺繁杂。为了更准确地模拟实际开挖支护顺序,本次研究建立三维模型来模拟动态施工过程,计算开挖顺序与实际开挖顺序保持一致。隧道实际埋深为7.5～10.5 m,属浅埋暗挖隧道。结合所研究区段取平均值,本次模拟隧道埋深取8.2 m。考虑到隧道直径和开挖影响的范围,所建模型尺寸为97 m×51 m×60 m,共42 200个节点,38 784个单元。采用以实体单元提高强度参数的方法来模拟超前小导管注浆,以起到超前加固土体的作用。重点分析双侧壁导坑法施工引起的地表沉降和隧道变形,故本次模拟不考虑地裂缝对研究的影响。所建模型如图2所示,地层参数见表1,支护参数见表2。

图2 数值模拟计算模型

表2 支护结构参数

2.2 计算模型监测点布设

为了与实测数据进行对比,模拟计算监测点布置如图3及图4所示。其中，洞内变形测点与地表横向沉降测点位于同一断面,地表横向沉降监测断面距离洞口分别为20 m及30 m,地表纵向沉降测点位于各导洞拱顶上方地表。

图3 隧道变形测点布置示意图

图4 地表沉降测点布置示意图

3 模拟结果及分析

计算完成后模型Z方向(垂直方向)位移云图如图5所示。由图5可知,隧道开挖后一定范围内的土体出现了下沉,呈“漏斗”状。越靠近中轴线，地表沉降量就越大。拱顶最大沉降为25 mm左右,可满足工程安全需求。下部土体有向上隆起的趋势。为了描述隧道动态开挖过程,令每个导洞开挖5 m为1个开挖步。

图5 开挖完成后模型Z方向位移云图

3.1 地表沉降分析

各导洞开挖后地表横向沉降曲线如图6所示,断面距洞口20 m。由图6可知,1#导洞开挖导致的地表最大沉降为7.5 mm,且沉降区域于导洞中轴线两侧对称分布。随着2#导洞的开挖,最大沉降量增至9.3 mm,仅增大了1.8 mm。由此可知,下部导洞的开挖对地表沉降影响较小,上导洞开挖是造成地表沉降的主要原因。3#导洞开挖完成后,地表沉降量增大至14 mm,且横向影响范围向右侧扩大。因此，在进行3#导洞开挖时应加强监测并及时反馈于施工。5#导洞开挖后,沉降量进一步增大,且最大沉降量为19 mm,出现在隧道中轴线位置。6#导洞的开挖并未对地表沉降产生较大的影响。这进一步说明,下导洞开挖对地表沉降影响较小,上导洞开挖才是造成地表沉降的主要原因。

地表纵向沉降随开挖步变化曲线如图7所示。由图7可知,由于1#导洞最先开挖,因此开挖初期1#导洞上部的地表沉降量大于其他导洞上部地表沉降量。当开挖步为6时,5#导洞开始开挖。但此时对应地表已下沉6.3 mm。这说明两侧导洞开挖已造成中间导洞地表出现较大沉降。当掌子面通过监测断面时,地表沉降量快速增大。受两侧导洞开挖影响,5#导洞对应地表沉降量略大于其他位置沉降值。当开挖步为15时,即5#导洞开挖面超前监测断面25 m时,地表沉降曲线趋于稳定。这说明此后隧道的开挖对监测断面位置基本无影响。

图6 各导洞开挖地表横向沉降曲线

图7 地表沉降随开挖步变化曲线

3.2 拱顶沉降分析

各导洞拱顶沉曲线如图8所示,监测断面距洞口20 m。由图8可知,监测初期,受隧道开挖影响,土体原应力状态被破坏,拱顶沉降迅速增大,随着掌子面的不断推进,沉降值不断增大。当掌子面距监测断面15 m左右时，沉降速率减小；当掌子面距监测断面25 m时，沉降曲线趋于稳定；此后，掌子面的开挖对监测位置沉降影响很小,沉降值保持不变。此外,由于两侧导洞开挖会导致中间导洞沉降增大,因此5#导洞拱顶沉降量略大于其他导洞拱顶沉降量,最大拱顶沉降量为22.3 mm,满足施工安全需求。

图8 各导洞拱顶沉降曲线

3.3 两帮收敛分析

各导洞两帮收敛变化曲线如图9所示,监测断面距洞口20 m。由图9可知,监测初期,各导洞收敛值迅速增大,当掌子面距监测断面20 m时，收敛曲线趋于稳定,后续掌子面的开挖对监测断面位置收敛影响很小。各导洞按最终收敛值由大至小排序为1#导洞、2#导洞、3#导洞、4#导洞。可见，开挖越早,收敛值越大。原因在于,已开挖并完成支护的导洞,其支护结构在一定程度上阻止了周围土体的变形,因此，后开挖导洞的收敛值小于较早开挖的导洞。因此,在1#导洞开挖时应加强收敛变形监测,确保其满足工程安全需求。

图9 各导洞收敛变化曲线

4 现场实测分析

4.1 监测方案的选取

“勤测量”是浅埋暗挖法施工时必不可少的环节,也是事故预报的关键。本次施工中地表测点采用φ108的钻机将地面硬化层或路面钻透,随即打入作为监测点的钢筋,且使钢筋低于路面5～10 cm,使钢筋与土体结为整体。拱顶测点是将φ10 mm圆钢加工成三角钩后焊到安装好的格栅上而成。格栅初喷后将测点用油漆做好标记,采用水准仪进行监测。收敛测点与拱顶沉降测点应布置在同一断面,且在埋设时尽量保持水平,将φ6.5圆钢弯成边长为10 cm的三角形;然后,将一条边双面焊接于长约25 cm的φ22螺纹钢上；最后，将测点焊到安装好的格栅上，并做好标记。各测点布设细目如表3所示。

表3 各测点布置细目

4.2 实测结果分析

4.2.1 地表沉降

实测地表沉降曲线如图10所示。由图10可知,随着隧道的开挖,地表沉降呈现缓慢增长的趋势。由于1#导洞开挖略早于3#导洞,因此3#导洞地表沉降滞后于1#导洞,但其变化趋势基本一致。监测到60 d时开挖面已超前监测断面25 m。此时,地表沉降已趋于稳定。

4.2.2 拱顶沉降

实测拱顶沉降曲线如图11所示。由图11可知,在监测初期,各导洞拱顶沉降迅速增大,一方面由于导洞开挖围岩应力需重新分布,另一方面初期支护未达到设计强度;故拱顶短期内迅速下沉,但其沉降值均小于警戒值。当掌子面距离监测断面25 m时,拱顶沉降逐渐趋于稳定,说明初期支护能有效起到约束围岩变形的作用。

4.2.3 两帮收敛

实测洞内收敛变化曲线如图12所示。由图12可知,监测初期各导洞两帮收敛值迅速增大,且最大收敛值达到了22 mm。当掌子面超前监测断面约20 m时，收敛值已趋于稳定,后续开挖对该处收敛影响很小。

图11 实测拱顶沉降变化曲线

图12 实测洞内收敛变化曲线

结合地表沉降、拱顶沉降和收敛曲线可知,三者变化趋势基本一致,隧道开挖一段时间后都趋于稳定,拱顶沉降量大于地表沉降。实测值与模拟值基本吻合,说明FLAC3D数值模拟软件能较好地进行隧道变形预测。在模拟过程中还需考虑实际施工顺序和超前注浆加固措施对结果的影响。

5 结语

(1) 由模拟结果可知,采用双侧壁导坑法施工时,地表横向沉降曲线关于隧道中轴线对称分布,影响左右各30 m范围(约为2.5倍隧道洞径)。上导洞开挖是造成地表沉降的主要原因。3#导洞开挖后地表沉降量及沉降范围明显增大,故建议3#导洞开挖时加强地表沉降监测。

(2) 隧道开挖后短期内拱顶下沉量迅速增大,当掌子面超前监测断面25 m时，拱顶沉降趋于稳定。拱顶最大沉降量为23 mm,模拟值与实测值均小于警戒值。这说明采用超前大管棚和小导管注浆技术可在施工中确保钢拱架连接紧密,能有效控制拱顶沉降,确保围岩变形满足工程要求。

(3) 模拟和实测结果表明,导洞开挖后两帮收敛值短期内迅速增大。掌子面超前监测断面20 m左右时，收敛趋于稳定。各导洞按收敛值由大到小排序为1#导洞、2#导洞、3#导洞、4#导洞,因此应加强1#导洞收敛监测。

(4) 对比模拟与实测结果可知,采用双侧壁导坑法施工能有效控制地表沉降和隧道变形,确保工程顺利进行。模拟结果与实测数据吻合较好,说明数值模拟能有效预测地层变形。研究结果可为黄土地区类似工程施工提供参考。

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Settlement Laws of Ground and Tunnel Deformation Induced by Construction of Large Section Two-side Wall Drift Heading Method Tunnel in Loess Region

REN Jianxi, WANG Li, WANG Jiang, WANG Dongxing, LIU Dongyang, LIU Kanghui, CHENG Yuan

Based on two-side wall drift heading method tunnel construction in Xi’an metro Line 3 project, the settlement laws of ground face and tunnel deformation induced by construction in loess region are studied by using FLAC3D numerical simulation and field measurement. The research shows that the curves of the surface crosswise settlement are symmetrical around the axis of the tunnel, the sphere of influence is 30 m on each side.The main reason of the surface subsidence is considered as the excavation of the upper pilot tunnel, and it is effective to control the vault settlement by using advanced small pipe grouting soil. The convergence value of pilot tunnel grows rapidly after the excavation of the tunnel, but tends to stabilize when the tunnel face advancing leads the monitoring section 20 meters.Numerical simulation results are consistent with the measured data, it is clear that the FLAC3D numerical simulation software can predict ground deformation.

large section tunnel in loess region; two-side wall drift heading method; ground surface settlement; deformation law; numerical simulation

School of Energy, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an,710054,China

TU 433; U 455.41+1

10.16037/j.1007-869x.2017.03.005

2016-03-28)