浅埋小间距隧道开挖围岩变形及控制对策

浅埋小间距隧道开挖围岩变形及控制对策

摘要:采用FLAC软件对地表有相对硬壳层的粉沙层中隧道开挖之后地层的变形机理进行模拟,通过分析隧道开挖后围岩变形的空间效应特性曲线,确定隧道开挖支护后引起的围岩变形的幅度和范围,找出隧道开挖最不利荷载工况和结构薄弱部位,为施工方案提供理论依据和决策支持。研究表明,不同的施工顺序引发不同的施工力学状态,进而引起不同的施工力学效应,隧道开挖先后顺序不同对围岩区域、幅度的扰动也不同。以北京地铁某车站的实测为基础,分析了粉沙地层中隧道施工不同工序引起的各部分变形情况,进而提出了相应的工程措施。

关键词:隧道;小间距;围岩变形;控制对策

1前言

随着我国城市大规模地下空间开发利用的蓬勃发展,由地下工程开挖而引发的环境问题(主要是指施工过程中由地层变形失控所引起环境灾害,包括地面建筑物、道路、管线等构筑物的损害)已成为城市现代化建设中的一个亟待解决的问题。因此,研究城市地下工程开挖过程中地表沉降及围岩变形的有效控制问题,对于隧道周边环境保护具有十分重要的意义。其中,关于城市地铁开挖顺序的优化分析、围岩变形及控制对策研究是一个重要的研究课题。

由于城市地铁区间隧道洞群工程具有分期分部开挖、逐步形成洞室设计体型的特点,加之隧道围岩具有非线性力学特性,隧道施工导致隧道初期支护、主体结构和围岩的力学状态为不可逆的非线性演化过程。它的最终状态(或最终解)不是唯一的,而是与过程相关,或说是与围岩应力路径或应力历史相关的。显然,隧道施工方案的确定以及优化就有一个过程的优化问题,在施工前进行动态施工力学的优化分析及围岩变形机理及对策研究,以便采取合理的开挖顺序、适时有效的支护方案,结合信息化动态施工,确保施工及环境安全始终处于安全可控制状态。

2工程概况

某地铁车站位于北京宣武门内、外大街与宣武门东、西大街的交叉路口,附近地面建筑物主要有越秀饭店、庄胜崇光百货、中国图片社、市天主教爱国会南教堂,西北侧有一、二层低矮平房。暗挖距建筑物较近,车站施工对周边地面建筑物影响较大,见图1。

宣武门车站是一座全暗挖车站,车站采用洞桩工法施工,风道、出入口通道及换乘通道采用CRD工法施工。车站宽24m,长189m,主要包括车站两端双层段、过既有地铁站单层段、车站两端双层风道、四条出入口通道及与既有车站进行换乘的四条换乘通道。车站断面见图2。

横穿车站的地下构筑物主要有盖板河(其底板距车站双层断面顶部净距为)和既有环线车站(其底板与车站单层断面顶部净距为)。由于距离近,车站暗挖施工时应采取可靠措施确保地下构筑物的正常使用和车站的施工安全。

本站施工范围内热力、电力、上水、下水、煤气、电信等各种地下管线89条,均位于车站主体上方,进行暗挖作业时,需采取可靠措施控制沉降,保证环境安全。

3数值计算模型及结果分析

计算模型及物理参数

模拟计算中土体采用Mohr-Coulomb模型,计算模型及网络划分见图3。

隧道开挖布置

隧道开挖布置如图4所示,施工开挖方案1施工顺序为1、2、3、4、5、6、7、8,施工开挖对比方案2顺序为4、1、3、7、6、8、2、5。

计算结果

(1)不同施工方案引起的地表沉降曲线如图5、图6所示。

从图5、6可以看出,由于开挖部位的不同,引起的地表变形存在明显的不同,如第一步开挖,方案1沉降槽中心约在-15m左右,而方案2沉降槽在5m左右。

施工顺序不一样,开挖引起的地表累计沉降量也不一样,方案1累计沉降量为36mm,而方案2累计沉降量为32mm。

(2)方案1、2开挖引起围岩位移对比见表2。

如表2所示,隧道在开挖之后,不同方案随着开挖的进行,在隧道围岩中产生的位移场呈现非均匀、局部集中化状态。隧道底板两侧的部位围岩变形位移较大,在隧道顶、底板及两帮产生的位移量差异较大。由于受围岩的影响,伴随着隧道围岩岩性的非均匀变化,在围岩中产生的位移场呈现非均匀分布、非线性变化。­

隧道位移曲线呈现明显的各向异性变化特征。在隧道开挖后,隧道围岩中卸压范围也即释放应变能的范围较大,同样反映出隧道围岩的变形能主要是沿着围岩局部弱化的部位扩展释放的。

由表2中各图可以看出,开挖顺序不同,围岩的影响范围和影响幅度不相同,方案1引起的围岩变形幅度大而且影响范围大。

实测结果

在实际施工中,优选采用了方案2,实际量测的沉降结果如图7、图8、图9所示。

图7为一横向主断面分步累计沉降图,其中以每个小导洞通过该断面作为一步。图8为8个小导洞全部通过后的5条纵向主体地表的累计沉降分布曲线。图9为典型测点累计沉降历时曲线图。

由图7、图8、图9的实际量测结果综合分析可以得出地表沉降的如下特点:

①导洞施工阶段,车站上方地表累计沉降平均为35mm左右,累计沉降最大为。位于车站K7+780右中导洞上方,受导洞开挖影响,地表沉降速率最大时为-/d,导洞全部开挖完成后地表沉降已趋于稳定。

②根据地表纵向累计沉降图,施工通道及盖板河上方附近区域地表沉降较小,车站里程K7+765～+785、K7+800～+825段地表沉降较大。主要原因为施工通道部位土质主要为粘土层,自稳能力较好,而沉降较大的两个区域主要为粉质沙土层,自稳能力差,且该段地层内管线分布较多,局部渗水较严重。K7+800～+825段更是位于导洞扩大段,且其上部土层主要为人工杂填土,空洞较多。

③根据地表横向分步累计沉降图,导洞施工导致地表沉降的范围为车站中线左右25m范围之内,导洞沉降主要发生在导洞正上方,车站中线12m外,地表累计沉降即迅速减小。

④根据地表测点累计沉降历时曲线图,测点累计沉降主要发生在导洞开挖通过测点的阶段;洞内挖孔桩施工对地层变位影响较小,期间地表沉降速率约为/d,但持续时间较长。

4施工控制对策

超前注浆预加固

由于该隧道处于细砂及砂卵石层中,导洞开挖之前,必须对导洞拱部进行注浆加固。注浆采用酸性水玻璃,施工时注意酸性水玻璃凝固的时效性。

超前大管棚

上导洞处于砂层,采用φ121大管棚进行超前支护。大管棚采用夯管锤夯进,先夯后取土,并预留注浆孔,注水泥浆对地层加固。

下导洞处于砂卵石层中,采用超前小导管注浆加固。

控制施工步序

①拱部环形开挖预留核心土,上台阶控制3m左右,下台阶紧跟,及时封闭成环。

②初支成环后及时背后注浆回填,减少岩层二维应力持续时间,缩短三维应力形成时间。尽快达到新的应力平衡。

③相邻上下导洞间错开15m左右距离,减小相互间因开挖而造成的影响程度。

信息化动态施工

以往的理论研究和施工实践均表明,在地下工程施工过程中,地层应力状态的改变将直接导致结构产生位移和变形,同时也会对地表及周边环境造成一定的影响。当这种位移和影响超出一定范围,必然对结构产生破坏,并影响到上方地表和临近建筑的安全使用。充分发挥监测的指导作用,根据监控量测数据的变化情况,及时调整施工组织及工序,使施工处于安全状态。

5结语

①隧道施工导致隧道初期支护、主体结构和围岩的力学状态为不可逆的非线性演化过程,它的最终状态(或最终解)不是唯一的,而是与过程相关。地表沉降槽是随施工方案不同而不同,沉降槽中心随开挖部位先后的不同而不同。

②由于开挖顺序不一样引起的地表沉降量和沉降槽的宽度也不一样,在施工过程中应选择合理的施工方案,有利于保护隧道上部建筑物、管线等,同时还要采取积极的施工措施确保隧道上方环境安全。

③应用FLAC计算程序,对浅埋、小间距隧道群进行位移场、破坏场和应力场变化特征的数值模拟研究,所得结论适用于软岩隧道情况,对确定软岩隧道的关键部位及在关键部位实施有效的耦合支护措施,有重要指导意义。

④施工过程中必须加强施工监测,根据监测成果实施动态施工,以确保施工安全。

参考文献:

[1]孙钧,汪炳监.地下结构有限元法分析[M].上海:同济大学出版社,1988.

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徐林生,孙钧,蒋树屏.洋碰隧道CRD工法施工过程的动态仿真数值模拟研究[J].地