■ 徐向明

地鐵連拱隧道變形及地面沉降控制研究

■ 徐向明

結(jié)合深圳地鐵7號(hào)線工程實(shí)踐，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)地鐵連拱隧道關(guān)鍵點(diǎn)的位移和應(yīng)力分布進(jìn)行研究。建立三維數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)雙側(cè)壁法各施工步序進(jìn)行逐步模擬，模擬結(jié)果顯示：對(duì)于隧道變形，施工中先期開挖上拱為最不利工況；對(duì)于地面沉降，主要沉降區(qū)域?yàn)殡x左右線中心線對(duì)應(yīng)地表點(diǎn)左右60?m的區(qū)域。為對(duì)隧道的受力和變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)反饋預(yù)測(cè)，布設(shè)了施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有隧道收斂和拱頂下沉、地表沉降、鋼架及襯砌應(yīng)力。為保障隧道安全，可采取超前大管棚支護(hù)和設(shè)置橫向支撐等主動(dòng)措施及袖閥管補(bǔ)償注漿等被動(dòng)措施。實(shí)踐證明，中隔墻加設(shè)臨時(shí)側(cè)向支撐有利于控制初支變形，大管棚更有利于控制地表沉降，地面跟蹤注漿可在沉降超限的情況下采用。

深圳地鐵；連拱隧道；變形控制；地面沉降；數(shù)值模擬；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)；加固措施

0 引言

隨著城市隧道與地鐵建設(shè)的興起，大量礦山法隧道穿越城市建成區(qū)，相應(yīng)的工程自身風(fēng)險(xiǎn)和與之引起的環(huán)境問題引起越來越多的關(guān)注。由于設(shè)計(jì)中受線路影響，區(qū)間在左右線分離或交匯斷面轉(zhuǎn)化處往往采用連拱隧道。連拱隧道的結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，開挖面積與跨度大，不但淺埋時(shí)存在巨大工程風(fēng)險(xiǎn)，深埋時(shí)因形變壓力大、擠壓變形嚴(yán)重，也存在較大施工風(fēng)險(xiǎn)。隧道的施工會(huì)對(duì)上覆地層產(chǎn)生撓動(dòng)，地表產(chǎn)生的移動(dòng)和變形較大時(shí)，往往又會(huì)引起臨近地上已有建筑物、構(gòu)筑物的開裂、沉降傾斜等問題，這些現(xiàn)象對(duì)于連拱隧道尤為明顯。結(jié)合深圳地鐵7號(hào)線工程實(shí)踐，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的位移和應(yīng)力分布進(jìn)行研究，提出地鐵連拱隧道關(guān)鍵支護(hù)設(shè)計(jì)方法和地面沉降控制措施，為地鐵連拱隧道設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 研究現(xiàn)狀

目前，對(duì)連拱隧道的研究主要集中在鐵路與公路部門，主要研究手段有模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，大型通用有限元程序大量涌現(xiàn)，這些計(jì)算方法都能解決隧道圍巖非線性問題，包括彈塑性、粘彈性、模態(tài)分析等相關(guān)的各向異性問題[1]。盧耀宗與楊文武利用非連續(xù)變形數(shù)值分析軟件UDEC模擬蓮花山大跨度連拱隧道的施工過程，提出連拱硬巖隧道中隔墻巖柱跳槽式開挖的施工方案；夏才初與劉金磊利用有限元法分析相思嶺連拱隧道中墻應(yīng)力，得到確定中墻應(yīng)力較為準(zhǔn)確的圍巖壓力計(jì)算方法，并分析了圍巖彈性抗力對(duì)連拱隧道中墻應(yīng)力的影響[2]。

從已有文獻(xiàn)來看，國(guó)內(nèi)對(duì)小間距連拱隧道多采用二維有限元分析，并且大多是公路隧道及鐵路隧道，對(duì)城市地鐵隧道相關(guān)研究涉及較少。城市隧道一般都會(huì)穿過人口密集、交通繁忙、地面建筑物林立的繁華地段，這對(duì)施工引起的地表沉降變形的控制要求很高。特別是覆蓋層厚度較小時(shí)，隧道施工過程中，圍巖的位移變化很大程度上反應(yīng)在地表沉降上，大跨度的連拱隧道對(duì)這種現(xiàn)象尤其敏感。因此，對(duì)地表沉降的研究顯得格外重要[3]。

2 數(shù)值模擬模型

2.1 建模概況

深圳地鐵7號(hào)線工程深云—安托山區(qū)間位于深圳市南山區(qū)及福田區(qū)。區(qū)間起訖里程為DK8+248．279—右DK9+766．355，長(zhǎng)1 518．076 m。其中DK8+326．3—DK8+357．0區(qū)段為分離式連拱隧道設(shè)計(jì)，單洞隧道開挖凈寬為16．20 m、凈高為12．45 m，左右兩隧道凈距不足2 m，連拱隧道段長(zhǎng)30．7 m。連拱隧道主要位于中、微風(fēng)化巖層，拱頂位于全、強(qiáng)風(fēng)化地層。隧道埋深13．5～19．5 m。隧道距北環(huán)大道較近（約20 m），若處理不當(dāng)可能對(duì)周邊道路造成一定影響或破壞。

以該區(qū)段實(shí)際情況為依據(jù)建立三維數(shù)值計(jì)算模型，模型上邊界為地表，底邊界取隧道底以下30 m（約2H，H為主洞矢高），寬度取120 m（約7D，D為單洞跨度），線路縱向考慮邊界效應(yīng)取30 m。建立的計(jì)算模型見圖1。

計(jì)算中采用不同本構(gòu)模型模擬不同材料，對(duì)于襯砌、中墻等應(yīng)用線彈性模型，各層土體采用莫爾-庫(kù)侖（M-C）模型，圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。區(qū)間隧道的初襯、二襯采用板單元模擬，錨桿采用植入式桁架單元模擬，注漿體采用改變材料力學(xué)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)[4]。連拱隧道初期支護(hù)模型見圖2。

2.2 施工過程模擬

根據(jù)施工工序示意圖（見圖3），數(shù)值分析中對(duì)雙側(cè)壁法各施工步序進(jìn)行了模擬，具體施工過程為：

（1）中導(dǎo)洞采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖。開挖前一次超前注漿3 m，開挖每進(jìn)尺2．0 m進(jìn)行一次注漿。

圖1 連拱隧道計(jì)算模型

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

圖2 連拱隧道初期支護(hù)模型

圖3 施工工序示意圖

（2）中導(dǎo)洞初噴，立鋼架掛網(wǎng)，打設(shè)錨桿，噴射混凝土后回填灌注小導(dǎo)洞后的墻后空間。

（3）模擬開挖主洞1部，開挖每循環(huán)進(jìn)尺1．0 m，增加殼體模擬臨時(shí)中隔壁，并完成左半部初期扣拱支護(hù)及仰拱封閉。

（4）模擬開挖主洞2部，落后1部5 m，開挖每循環(huán)進(jìn)尺1．0 m，增加殼體模擬臨時(shí)中隔壁，并完成右半部初期扣拱支護(hù)及仰拱封閉。

（5）模擬開挖主洞3部，落后2部5 m，開挖每循環(huán)進(jìn)尺1．0 m，增加殼體模擬臨時(shí)中隔壁，并完成仰拱封閉。

（6）模擬開挖主洞4部，落后3部7 m，開挖每循環(huán)進(jìn)尺1．0 m，增加殼體模擬臨時(shí)中隔壁，并完成仰拱封閉。

（7）分段（10 m）拆除底部中隔壁殼體，激活二襯底板結(jié)構(gòu)單元。

（8）分段（10 m）拆除上部臨時(shí)支護(hù)殼體，激活二襯邊墻和拱頂結(jié)構(gòu)單元。

計(jì)算中重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)關(guān)鍵施工步序，即：中導(dǎo)洞施工、左上臺(tái)階施工、右上臺(tái)階施工、左下臺(tái)階施工、右下臺(tái)階施工、左上拱施工、右上拱施工、左下拱施工、右下拱施工，所有結(jié)果也按上述步驟進(jìn)行提取。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 支護(hù)變形分析

雙側(cè)壁法9個(gè)關(guān)鍵步序引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形見圖4。通過計(jì)算可知，拱頂處是施工的薄弱環(huán)節(jié)。最大豎向變形在拱頂處，為27．15 mm（下沉）；其次出現(xiàn)在仰拱處，最大變形量為13．44 mm（隆起）。最不利工況出現(xiàn)在左上拱施工，拱頂最大變形量從拆撐前的11．21 mm變化到24．78 mm，占總變形量的49%；上臺(tái)階拱腳處出現(xiàn)水平位移，為12．73 mm，占總水平變形量的87%。隨著單線掌子面開挖的推進(jìn)，既有結(jié)構(gòu)內(nèi)力中彎矩及大部分位置的軸力變化不明顯，只有靠近單線側(cè)的拱腰處變形較明顯。

圖4 各施工工況初支變形云圖

根據(jù)位移矢量圖（見圖5）可知，在埋深工況下，毛洞的洞周變形逐漸轉(zhuǎn)為兩隧道中巖墻附近的擠壓變形及拱頂沉降。隨著分部開挖，兩洞中巖墻附近的擠壓變形逐漸由集中在拱肩向下變化，即拱肩到拱腰均有較大的擠壓變形[5]。

3.2 地面沉降分析

從數(shù)值模擬結(jié)果來看（見圖6、圖7），施工過程最大沉降為27．75 mm，地表最大位移與開挖步序有關(guān)，由于左洞進(jìn)尺大于右洞，其受左側(cè)開挖的影響較右側(cè)明顯，相對(duì)來說在右側(cè)開挖以后地表最大位移有減少趨勢(shì)。在大面積開挖左上拱的過程中，地表位移變化較大。當(dāng)左右洞施作完畢后，最大沉降量出現(xiàn)在左右線間，為左右線沉降量的累加值。

由于模型中僅為支護(hù)變形引起的沉降，未考慮地層失水造成的地面沉降，因此實(shí)際沉降值可能超過控制值，需采取輔助措施以控制周邊環(huán)境沉降。

圖5 位移矢量圖

圖6 連拱隧道施工地層位移云圖

圖7 地表橫向沉降圖

從地表橫向位移得出（見圖7），在隧道開挖過程中地面沉降范圍主要為左右線中心線對(duì)應(yīng)地表點(diǎn)左右60 m的區(qū)域內(nèi)（1．5D）。分塊分部開挖會(huì)對(duì)地層造成多次擾動(dòng)，從而產(chǎn)生的地面沉降不斷疊加。其中中導(dǎo)洞開挖引起的沉降量占總沉降量的12%，左上下臺(tái)階開挖后地面沉降量占總沉降量的23%，右上下臺(tái)階開挖后地面沉降量占總沉降量的35%，左上拱開挖后施工引起的地表沉降值占其總沉降值的82%。其后地面沉降逐漸趨緩，地表的最終沉降值為27．75 mm。

由地表縱向沉降曲線可知（見圖8），隧道開挖地面沉降縱向影響范圍在掌子面前方20 m及掌子面后方。在兩洞施工過程中，各工序沉降量變化趨勢(shì)與橫斷面相同。掌子面的推進(jìn)對(duì)單線隧道自身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)影響區(qū)域?yàn)榫嘌芯繑嗝嫫?～9 m，弱影響區(qū)域?yàn)?～30 m，即掌子面推進(jìn)到距研究斷面30 m后，研究斷面的沉降量已趨于穩(wěn)定。

圖8 地表縱向沉降圖

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和加固措施

4.1 監(jiān)控量測(cè)的實(shí)施

為對(duì)設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行指導(dǎo)，及時(shí)反映支護(hù)情況和圍巖動(dòng)態(tài)過程，對(duì)隧道的受力和變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)反饋預(yù)測(cè)，7號(hào)線深云—安托山區(qū)間在施工過程中根據(jù)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求布設(shè)了施工監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有隧道收斂和拱頂下沉、地表沉降、鋼架及襯砌應(yīng)力。

隧道收斂和拱頂下沉是在預(yù)設(shè)點(diǎn)的斷面隧道開挖爆破以后，沿著隧道周邊的拱頂和邊墻部位各埋設(shè)一個(gè)球頭測(cè)樁（布點(diǎn)見圖9）。地面沉降是在隧道開挖縱、橫向1．5倍埋深范圍內(nèi)的區(qū)域埋設(shè)測(cè)點(diǎn)，利用高精準(zhǔn)水準(zhǔn)儀，對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)（布點(diǎn)見圖10）。埋設(shè)測(cè)點(diǎn)時(shí)，將長(zhǎng)的中螺紋鋼筋打入地表土層內(nèi)，頂面用紅漆涂一個(gè)醒目標(biāo)志，便于辨認(rèn)和保護(hù)。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，隧道收斂和拱頂下沉隨時(shí)間呈緩慢變化—急劇增加—區(qū)域穩(wěn)定3個(gè)階段，各測(cè)點(diǎn)隧道洞身變形見圖11。其中中導(dǎo)洞施工后，各個(gè)分部的開挖和工序轉(zhuǎn)換過程中的沉降值為29 mm，占總沉降（41 mm）的大部分。左上拱施工，拱頂最大變形速率為3．2 mm/d，最大變形值21 mm，占總變形量的51%，與數(shù)值模擬規(guī)律基本一致。隧道洞周變形呈拱頂最大、內(nèi)側(cè)拱腰次之、仰拱最小的規(guī)律。左拱腰圍巖最大位移速率和最大位移量均比右拱腰大，一方面是由于左側(cè)偏壓的影響，另一方面也說明開挖左上拱釋放了大部分應(yīng)力。

圖9 隧道變形測(cè)點(diǎn)布置圖

圖10 地表變形測(cè)點(diǎn)布置圖

圖11 各測(cè)點(diǎn)隧道洞身變形圖

圖12 各測(cè)點(diǎn)地面沉降變形圖

開挖階段地面沉降沿水平方向呈Peck沉降槽規(guī)律（見圖12），與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果基本一致。發(fā)生沉降范圍在隧道中心軸線70 m范圍內(nèi)，距離中心越近沉降值越大；地表沉降左洞明顯大于右洞，且越往左沉降越明顯。其中左洞拱頂兩側(cè)的沉降要大于洞頂，說明拱頂相對(duì)穩(wěn)定但拱腰需加強(qiáng)剛度。采取先外后內(nèi)的開挖順序?qū)χ虚g巖柱范圍的圍巖擾動(dòng)較大。

4.3 加固措施

根據(jù)監(jiān)測(cè)，隧道初支及地面沉降變化較大。隧道自身風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高時(shí)，需要采取相應(yīng)的輔助措施，以保證隧道自身和周邊環(huán)境的安全。輔助措施一般可分為主動(dòng)措施和被動(dòng)措施。

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，隧道初支最大變形發(fā)生在拱頂下沉及中巖墻附近的擠壓變形處。因此設(shè)計(jì)采用的主動(dòng)措施主要有超前大管棚支護(hù)和設(shè)置橫向支撐。當(dāng)周邊建筑物沉降超預(yù)警值時(shí)，采用袖閥管補(bǔ)償注漿的被動(dòng)措施（見表2、圖13）。

通過計(jì)算可知，超前大管棚可以有效控制初支變形和地面沉降；加設(shè)橫向支撐對(duì)初支變形，尤其是水平位移，有積極的控制作用，但對(duì)地面沉降控制有限；地面追蹤注漿可以控制地面沉降（見表3）。可見，通過輔助加固措施，初支和地表沉降值明顯減少，還縮短了前后影響距離。對(duì)于復(fù)雜工況下連拱隧道開挖，應(yīng)重視主動(dòng)加固措施，提高隧道自身安全性，控制開挖沉降量，地面加固可作為在沉陷超限情況下的補(bǔ)救措施。

表2 輔助措施計(jì)算工況

圖13 地層縱向沉降等值線圖

表3 加固措施計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

通過三維數(shù)值模擬計(jì)算分析，并結(jié)合深圳軌道交通7號(hào)線現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)和工程實(shí)例，對(duì)小間距連拱隧道各工序下初支變形和地面沉降變化規(guī)律及控制技術(shù)進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

（1）施工過程中先期開挖上拱時(shí)為最不利工況，此時(shí)毛洞的洞周變形逐漸轉(zhuǎn)為兩隧道的中巖墻附近的擠壓變形及拱頂沉降。

（2）從隧道地表橫向位移來看，施工過程中地表主要沉降區(qū)域?yàn)殡x中心線對(duì)應(yīng)地表點(diǎn)左右1．5倍開挖洞徑范圍?？v向上掌子面后方30 m范圍沉降量已趨于穩(wěn)定。

（3）中隔墻加設(shè)臨時(shí)側(cè)向支撐有利于控制初支變形；大管棚作為主動(dòng)措施更有利于控制地表沉降；地面跟蹤注漿可作為輔助措施在沉降超限的情況下采用。

[1] 鐵道綜合技術(shù)研究所． 鐵道構(gòu)造物等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)·同解說（シ－ルドトンネル）[M]． 日本：丸善株式會(huì)社，1997．

[2] 潘昌實(shí)． 隧道力學(xué)數(shù)值方法[M]． 北京：中國(guó)鐵道出版社，1995．

[3] 王明年，張建華． 工程措施對(duì)控制隧道圍巖變形的力學(xué)效果研究[J]． 巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20(5)：27-30．

[4] 王明年，關(guān)寶樹，何川． 三車道公路隧道在不同構(gòu)造應(yīng)力作用下的力學(xué)行為研究[J]． 巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20(1)：51-55．

[5] MAIR R J． Ground movement around shallow tunnels insoft clay[J]． Tunnels and Tunnelling，1982(6)：33-38．

徐向明：深圳市龍崗區(qū)城市建設(shè)投資有限公司，高級(jí)工程?師，廣東?深圳，518100

責(zé)任編輯李鳳玲

U457

A

1672-061X（2016）06-0012-05