浅埋隧道施工引起的地层变形规律分析

浅埋隧道施工引起的地层变形规律分析摘要通过对浅埋隧道沉降进行实时量测，并对其理论进行分析整合，找出了一些浅埋隧道施工阶段引起的地层变形规律，由此提出了隧道施工时控制大变形的相应措施，取得良好的施工成果。关键字隧道施工沉降分层沉降浅埋暗挖法沉降槽1引言伴随着我国经济的飞速发展，城市化进程建设进程的不断加快，越来越多的人口涌向城市，在给我国经济带来高速发展的同时，也产生了众多的负面效应。人口密度增加，城市规模越来越大，基础设施尽显疲态，尤其是交通的拥堵己成为各大中型城市所共有的“重症”。由此也对我国城市的发展产生很大的制约作用。同时，经济与社会的发展对城市集约化程度和提高效率要求越来越高，快速有效的交通设施建设成为一个城市发展的必要条件和提高城市竞争力的重要筹码。而与加强交通等基础设施建设的要求相矛盾的是目前城市市区内可供利用的土地面积越来越少，为解决城市建设与地面空间紧张的矛盾，以促进城市的可持续发展和加强环境保护，寻求地下空间的开发利用成为一条扩大城市容量和功能的有效途径，地下排水、供电、通信、煤气管道越来越多，城市地下交通的建设更是以其特有的各种优势受到人们的青睐。虽然城市地下交通隧道及地下铁道有着诸多优点，但由于城市环境复杂，建筑物密集，管线密布，因此在施工过程中也不可避免的对周围环境产生影响，比如由于隧道在施工过程中引起的地层的位移，地表沉降，并由此引起隧道开挖影响区域内的建筑物基础的沉降，造成房屋的倾斜、变形等，对开挖区域内的管线尤其是刚性管线造成不同程度变形等影响。在保证城市隧道及地铁等工程施工的顺利实施的同时，也为了保证周围既有建筑设施的安全，作为新奥法施工过程中重要组成部分的施工监测被普遍应用到施工过程当中，而在诸多监测项目当中，地表沉降监测被看作城市隧道监测项目中的重中之重，由于地表沉降为开挖过程中地层下沉最为直接量化的反应，而地层的下沉则直接影响了既有建筑及管线设施的变形甚至破坏。如路面的开裂、下陷；地下原排污、输水等管道等的破裂以至无法正常使用，且渗漏的污水等甚至影响到在建隧道的安全施工，且地表沉降监测有着如下优点一、监测简单方便且能及时实施；二、测点布设简单且易于保护；三、测量数据直观且可用作施工安全的预判；四、监测不受施工等因素的干扰等。因此在施工监测中地表沉降监测非常重要。然而目前，在有关监测规程中，对于地表沉降监测项目的规定仍然存在许多问题。1、地表沉降监测断面的选择及断面的间距规定不明确，目前通用的是监测断面间距根据隧道埋深确定在某个范围内进行选择；2、监测的频率采用同一频率，在间距的选择及监测频率当中，未考虑施工方法及地层的特性；3、就隧道洞径对地表沉降的影响范围考虑较为模糊。由于在相同条件下，地表的沉降量随着隧道埋深的增加而呈现递减趋势，在某些特定地层当中，由于隧道开挖引起的围岩变形较小，地表沉降量也较小，且当隧道埋深达到某一临界值后，地表的沉降变形将极其微小，可看作地表无沉降变化，过多的地表沉降监测将失去意义。同时，地表沉降的变化为隧道洞内变形的间接反应，本文将根据胶州湾海底隧道洞内位移及地表沉降的变化，确定地表沉降与洞内位移及隧道埋深的关系，找出青岛地区花岗岩地层中，地层变形的规律，为今后类似工程建设提供借鉴及依据。2理论基础隧道上覆地层的竖向沉降是由开挖后的地应力释放、地层损失引起的。对于浅埋暗挖法则为开挖后、支护结构达到强度要求前的时间段内隧道上方一定范围内土体向隧道内空移动所引发的地层整体变形。大量的现场量测表明，粘性土中隧道施工上方地表沉降槽可以用高斯函数拟合。一般单洞隧道的沉降曲线（图1）定义为式中S为隧道上覆地层的沉降量；X为与隧道中线的水平距离；SMAX为隧道中线处的最大沉降量；沉降槽宽度由参数I确定，I为隧道中线到沉降曲线反弯点的距离，沉降槽宽度一般为5I。I随深度变化，即反映在同一横断面处隧道上方不同埋深位置的沉降槽最大值SMAX和宽度不同，埋深越大，SMAX越大，沉降槽宽度越小，即I值越小。OREILLYNEW1982年在粘土中得出地表沉降槽I与的关系OZ式中为地表到隧道中轴线的距离。因此，可以假定OZ式中K为一常数，与地层条件及埋深相关；Z为不同地层埋深（图1）。RANKIN1988年在大量土样和现场量测试验基础上得出K取05在大多数情况下是合理的。3实例分析深圳地铁3A标国老区间南段暗挖隧道上覆地层自上而下依次为第四系全新统人工堆积层QML、海冲积层（QMAL）及第四系残积层（QEL），下伏侏罗系中统（J2）凝灰岩、震旦系（Z）花岗片麻岩，局部为燕山期（R53）花岗岩，级围岩。3A标地层参数见表1。表1试验断面（图2）位于F5断层位置，里程为SK1486。该断层发育在凝灰岩中，视厚度为44M。真厚度约为20M。断层带主要为灰绿色糜棱岩、断层泥及断层角砾。根据地质资料，断层走向NE55，倾角约为6075。区间隧道洞身主要通过粉质粘土层、全风化层、中风化层，拱部15M以上为砂层，围岩“上硬下软”，软弱围岩除粉质粘土、全风化层，透水性较强，整个隧道地质条件很差。本区间隧道在国内首次采用了单洞双层重叠结构，隧道断面宽68M，高13M，属高边墙结构，分四台阶开挖。预支护采用小导管注浆；初期支护为网喷混凝土C20与格栅钢架主筋22MM、锚杆R25/4，L35M，间距为750MM800MM联合支护；二衬采用模筑混凝土衬砌支护。各台阶之间设立临时横撑（型钢钢架），并网喷混凝土。隧道开挖引起的地层变形是从隧道结构拱顶向上延伸的，从现场对断层位置的断面量测结果看，拱顶下沉量要小于地表沉降，为了进一步分析两者的关系，在该断面隧道正上方不同埋深位置埋设了分层沉降磁环，取趋于稳定的地表沉降和离地表825M处的地层分别做沉降槽曲线，并对曲线作回归处理图2和图3，图中的离散点是现场测点的实际沉降值，曲线为GAUSSIAN回归曲线。对比图2和图3的曲线可以明显发现两者的区别。图2地表沉降值及其回归曲线图3埋深825米处分层沉降值及回归曲线图4拱顶正上方测点沉降图5埋深825米拱顶正上方测点沉降图3中地表沉降曲线的最大沉降量小于图4中的最大值。从两者的拟合函数可以看到，沉降槽宽度参数I前者大于后者。由此发现，从拱顶到地表的地层沉降量逐渐减小，开挖的影响范围却逐渐增大，可见现场测得的拱顶下沉量有一个超前释放部分。图6和图7可以明显看到这样的变化，两者的LOGISTIC拟合曲线除最终沉降量有差异外，其变化趋势基本相同。且两图中在沉降后期实测值有一个突变，这与高边墙暗挖台阶法施工中台阶长度及4台阶的爆破施工有关。4隧道上覆地层分层沉降分析图6隧道周边不同埋深处地层竖向位移以现场监控量测数据为依据，经过对数据统计处理及回归分析，得出隧道周边不同埋深处地层竖向位移曲线，对浅埋隧道的地层变形规律进行了研究，得出了以下结论隧道开挖引起地层位移，在拱部及两侧形成一个塑性变形区域。从地层沉降槽可以看出，塑性区域延伸左右两侧的范围较大，而且一直到达隧道结构的底部。从图6隧道周边不同埋深处地层竖向位移情况看，拱顶正上方土层满足应力松弛规律，从地表到拱顶沉降量总体变大，但在4M左右略有减小。隧道中线以外地层，地表到隧道底部地层沉降量逐渐减小，且拱顶以下部分的沉降量相对较小。可见隧道开挖地层应力是从地表往下传递，而地层沉降的发展则是从拱顶呈辐射状传递；沉降槽随着深度增加，而I变小，两侧土体向隧道中线靠拢，在反弯点内土体受挤压，2I范围以外土体受拉，由于开挖临空面的存在，沿反弯点曲线土体易产生剪切破坏5结论通过对沉降理论和对深圳地铁的量测分析，可以得出下列结论1拱顶下沉随开挖时间的关系，沉降和时间关系曲线呈指数变化。2深圳地层因其强度较低、地下水位较高，早期施工中出现地表沉降远远大于拱顶下沉的现象。分析表明，开挖后地应力从地表往下传递，而地层变形则从拱顶向地表发展，拱顶是隧道上覆地层中最大的塑性变形点。3不同性质的地层具有不同的沉降特性，表现为地层压缩率存在较大差异，粉质粘土层压缩率为794MM/M，而素填土层近乎呈整体下沉。参考文献1王梦恕，刘招伟，张建华北京地铁浅埋暗挖法施工J岩石力学与工程学报，1989，8152612王梦恕地下工程浅埋暗挖技术通论M合肥安徽教育出版社，20043张成平，张顶立，王梦恕，黄俊岩石力学与工程J浅埋暗挖重叠隧道施工引起的地层变形分析,2008，271324432494黄俊，张顶立岩石力学J地铁暗挖隧道上覆地层大变形分析，2004,25（8）128812935阳军生,刘