杨文祥,周庆刚,王俊毅,王 栋

(1.山东高速建设管理集团有限公司 济南市 250001; 2.山东高速工程检测有限公司 济南市 250002;3.中建八局第二建设有限公司 济南市 250014)

0 引言

在地铁建设过程中,地表沉降的数据通常作为隧道安全施工的重要参数,其沉降值的大小与隧道事故密切相关。

众多学者对地表沉降做了大量的研究。孔恒等[1-6]研究了超前支护对地表沉降的影响,通过对超前支护进行理论分析和实验控制,并运用模拟软件等辅助工具与实际施工过程进行对比,得出软弱围岩隧道施工过程中掌子面周围土体的支撑力绝大部分由超前支护构成;李志辉等[7-12]从土体预加固、支护种类和开挖工艺三个方面进行模拟研究并提出沉降控制和工法优化方案;原华[13]通过数值模拟对上海越江隧道进行了分析,得出在不同水位条件下地下水渗流对隧道管片和地表沉降造成的影响。结合众多学者的研究成果,无论是数值模拟还是理论分析法都对地表沉降做了大量的研究,但在国内外隧道研究中,对上软下硬的复合地层条件下、渗流-耦合作用下的浅埋暗挖车站研究较少。

文章以青岛地铁4号线福州路车站为研究对象,在数值模拟时考虑时间因素以及渗流-应力耦合条件,将数值模拟与实测数据进行对比,确定最大沉降位置即最不利位置,及时进行设计优化,为实际地下工程建设提供参考。

1 工程概况

青岛地铁4号线全长约30.66km,整条线路均在地下,共设25座车站。其中福州路站是第10座车站,车站整体沿辽阳西路东西向布置。车站全长203m,车站计算站台中心线处轨顶面绝对标高为8.9m,车站顶板上部覆岩厚度约9～15m,基底埋深约33m,车站采用双层初支拱盖法施工。

2 地表沉降规律研究及分析

福州路地铁站埋置较浅,同时地质条件复杂且地下水丰富。因此,要时刻关注车站施工引起的地表沉降变化。文章选取福州路车站从2018年11月11日开始施工到2020年12月30日区间内的数据进行分析,将所得数据检查整理后,绘制DBC06-08区段地表沉降曲线。

在第一阶段,因受隧道施工影响,各监测点沉降数据呈现缓慢增加的趋势。直至2019年3月到4月中旬,此时隧道施工离监测点较近,因此受施工扰动和施工降水两方面影响,地面沉降呈现快速沉降趋势,沉降量达到23mm左右。但在第二阶段,各监测点趋势均呈现“回升”现象,其原因是隧道上导洞开挖完成后,及时进行了初期支护,为断面提供了支撑力,抵抗住了周围围岩的变形,使地表沉降量减小。但是DBC06-05却表现出不断下降的趋势,经查阅超前地质预报得知,此处存在大型地下空洞,具体分析见下文。第三阶段曲线显示掌子面开挖完成之后,最终在初期支护以及围岩本身的承载力双重影响下,地层沉降趋于稳定并最终收敛于10～30mm。

综上可知,造成地面沉降的因素与施工降水、断层破碎带及空洞有关。下面将针对这些因素一一进行分析。

2.1 施工降水影响

因为青岛地区是典型的上软下硬地质,不考虑水土流失的作用,该沉降的主要原因是施工降水引起土的固结沉降。

根据土力学[14]中土的固结理论可知,降水所引起的附加荷载计算公式为:

P=γw(h0-h1)

(1)

式中:P表示因降水总和产生的附加应力,单位kN;γw表示水的重度,通常取10(方便计算),单位kN/m3;h0-h1表示降水前后的水头高度差,单位m。

再利用分层总和法,按照式(2)计算并求解由于降水原因造成的地表沉降:

(2)

式中:Smax表示为监测到的沉降量之和,单位m;Si表示为土层当中i土层的沉降数值,单位m;Ei表示为土层当中i土层的压缩模量,单位kPa(通过查阅地勘资料获得);Hi表示为土层当中i土层的计算厚度,单位m。

如表1所示,在人工降水因素影响下的地表沉降总量为Smax=18.37mm,此沉降数据与图1展示的总数据(即现场实测数据)相比占了将近2/3,这也表明了地下水的存在对地表沉降影响重大,不可忽视地下水的作用。

图1 DBC06-05 测点沉降曲线图

表1 车站土层物理参数和沉降量计算表

2.2 断层破碎带及空洞的影响

根据地质勘查资料以及施工过程中进行的超前地质检测可知,福州路车站位于断裂带上,选取在此断裂带上具有代表性的DBC06-05监测点沉降数据,绘制沉降曲线图1。

由图1可知,在2019年4月初,当其他曲线的沉降量在不断减小时,此监测点沉降量却不断增大,在地下23m左右处明显有一个大型空洞。这些空洞存在地下水,随着地下水不断排出和施工扰动的双重作用,导致空洞上方的土不断固结发生应力变化,因此发生过度的地表沉降。为此需采取积极有效的措施,如进行超前支护、空洞注浆回填、拱顶注浆及地表注浆等有效措施减小地表沉降。

3 数值模型建立

3.1 数值模型

文章运用Midas GTS软件模拟车站施工过程中在水位变化下的地表沉降规律。工况一:水位一位于地表以下6.5m处(实际水位);工况二:水位二位于地表以下23m处;工况三:水位三位于地表以下34m处,此处在车站底板下方位置(此工况仅是在考虑降低地下水对施工的影响下设置)。模拟简化和基本假设如下:

(1)选用的材料皆为均质,且为连续和各向同性的。

(2)模型的初始应力仅设自重应力。

(3)建立三个不同水位环境下的渗流-应力耦合模型模拟。

(4)为了与实际工程相吻合,模拟施工采用的开挖步距为2m,内支撑以及锚杆等支护材料设置在第3步开始添加,二衬在全部开挖完毕后施加,最后是内支撑的拆除,与二衬施加相隔2m。

3.2 计算模型参数的选取

模型建立过程中各土层和喷混(初支、二衬、锚杆)的计算参数需要根据工程地质勘察资料进行确定,各个岩层的力学性能和物理参数的设定如表2所示。

表2 土层及喷混计算参数

4 不同工况环境下车站地表沉降对比分析

运用Midas GTS NX软件分别建立三种不同工况条件下渗流-应力耦合模型进行地表沉降分析。其模拟结果绘制曲线,如图2所示。

图2 不同工况环境下地表沉降过程对比曲线

由图2可知,在工况一环境下地表沉降最大达到23.06mm,其值与图1实测沉降量相近;在工况二时,地表最大沉降量达到12.08mm;而在工况三时,地表最大沉降量达到10.23mm。可见,在工况一环境下地表沉降量最大,工况三环境下地表沉降量最小,因此地下水位的变化对地表沉降影响巨大,不可忽视地下水的作用。所以,为保证隧道车站的安全施工,应将工况降至车站底板下方安全位置,最大程度减小地下水对隧道车站施工造成的沉降影响。

5 施工优化控制措施

5.1 支护时序对控制地表沉降的作用分析

根据浅埋隧道围岩松动理论可知,围岩的重力由围岩上方的阻力和支护结构的反作用力组成。因福州路车站地质条件较差,在支护不及时仅仅靠围岩上方的阻力来维持隧道掌子面的稳定性,会引起围岩发生过大的变形,存在坍塌的风险。因此运用Midas GTS NX软件分别进行有无及时支撑模拟,其模拟结果绘制曲线,如图3所示。

图3 有无及时支撑地表沉降量对比曲线

由图3可知,地表所产生的最大沉降量均位于隧道车站中轴线上方地表处。随着车站施工不断进行,地表沉降量不断增大,当处于中轴线上方时,在全断面打通时两者相比减小了26%,极大降低了地表沉降量。其原因是当隧道车站开挖之后,围岩处于不稳定状态,此时及时进行支撑可有效减小地层的应力释放,使隧道车站与周围的围岩尽快趋于稳定状态,此优化方案可极大缓解地表沉降趋势。

5.2 改进工法对控制施工沉降的作用分析

福州路地铁站采用双层初支拱盖法施工,具有14个导洞。该施工方法具有安全、高效且随时调整开挖顺序的优点。但是其也具有缺点,以福州路车站而言,其拱顶处于复合围岩中且导洞开挖面较大,容易出现沉降过大现象;其次车站埋置较浅且地下水丰富,如果支护措施不能及时施做,极易造成塌方现象。因此,参考国内外的工程案例,结合地质勘查资料,在可行性的前提下,提出15导洞法的施工方案,将拱顶施工区域进行划分,增加一个导洞。其模拟结果绘制曲线,如图4所示。

图4 14导洞法与15导洞法地表沉降量对比曲线

由图4可知,在车站正上方地表沉降量最大,离车站中心轴越远的位置受到车站施工的影响越小,相应的地表沉降量也在不断变小。当处于中轴线上方时,其全断面打通时14导洞法最大沉降量为23.06mm,15导洞法为18.33mm,相比减小20.5%,有效地控制了地表沉降。但是15导洞法也存在缺点,其增加的导洞会使施工周期变长,资金投入增大,因此在施工条件好的情况下建议优先选择14导洞法施工。

6 结论

(1)车站施工引起最大地表沉降为35mm,造成地面沉降的因素与施工降水、断层破碎带及空洞有关。其中在人工降水因素影响下的地表沉降量为18.37mm,因此在福州车站施工过程中不可忽视地下水的作用。

(2)分别建立了三种不同工况环境下的渗流-应力耦合模型,并研究了各个模型的地表沉降规律。确定了在工况一环境下其地表沉降量最大为23.06mm;工况三环境下地表沉降量为10.23mm。这也再次表明了在重力场单因素模式下地下水位变化对地表沉降的影响巨大,所以为保证隧道车站的安全施工,应将水位降至车站底板下方安全位置。

(3)当采用及时支撑时其地表沉降量相比减小了26%,采用15导洞法施工时地表沉降量相比减小了20.5%,表明该两种优化方案控制沉降效果显著。因此,在车站施工全过程中要及时进行支护,并严格选用支护材料、支护方案、控制支护强度等。