地鐵隧道施工引起地層位移空間特征研究 摘 要 運(yùn)用數(shù)值分析方法研究淺埋地鐵隧道暗挖施工引起地層變形的空間特征,特別是隧道變形的空間特征。研究表明只有正確認(rèn)識(shí)了隧道收斂變形、預(yù)收斂變形和掌子面擠壓變形之間相互關(guān)聯(lián),才能夠正確認(rèn)識(shí)到引起隧道整個(gè)變形過程的真正誘因。 關(guān)鍵詞 淺埋隧道 收斂變形 擠壓變形 預(yù)收斂變形 核心土體 1 引言 基于位移控制的隧道設(shè)計(jì)與施工方法是未來城市淺埋暗挖隧道設(shè)計(jì)與施工的發(fā)展方向之一,認(rèn)識(shí)隧道變形的空間特征以及其表現(xiàn)形式的相互關(guān)聯(lián)是發(fā)展新的隧道設(shè)計(jì)與施工理念的基礎(chǔ)。本文以數(shù)值方法作為試驗(yàn)手段,對(duì)土質(zhì)淺埋隧道施工引起地層位移進(jìn)行研究。 2 數(shù)值模型簡介 北京地鐵五號(hào)線和平西橋站—北土城東路站的區(qū)間隧道采用淺埋暗挖理論進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工, A型標(biāo)準(zhǔn)斷面是以上下臺(tái)階法開挖,并保留核心土,在隧道拱部135°范圍內(nèi)進(jìn)行小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)。模擬隧道尺寸取區(qū)間隧道A型標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸: 6.00 m×6.43 m,考慮隧道埋深為9.00m。數(shù)值模型僅僅考慮了單條隧道,隧道縱向取50.00 m,橫向考慮了72.00 m,地層深度39.43 m。 計(jì)算采用美國Itasca公司開發(fā)的有限差分軟件FLAC3D。有限差分模型見圖1,共66 800個(gè)單元,71 604個(gè)節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)了地表沉降、隧道拱頂沉降、仰拱底鼓位移、拱腰水平位移、掌子面以及其前方核心土體的擠壓變形。模擬隧道縱向25 m處掌子面內(nèi)外監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖2。數(shù)值計(jì)算的步驟為:全斷面開挖進(jìn)尺1 m并計(jì)算,施加初期支護(hù)并進(jìn)行下1 m開挖,仰拱施加落后施工掌子面4 m,并以2 m一次性施加仰拱,即仰拱離施工掌子面的最小距離為2 m。掌子面前方核心土一次性加固10 m,并留最小加固厚度5m。地層力學(xué)參數(shù)及掌子面前方核心土體加固的力學(xué)參數(shù)見表1。
3 隧道變形空間特征
在初始地應(yīng)力場(chǎng)的條件下地層處于穩(wěn)定平衡狀態(tài),由于隧道施工導(dǎo)致地層缺失而引起地層位移,在地表主要表現(xiàn)為地面開裂、地面沉降和沉陷槽,在隧道周圍主要表現(xiàn)為隧道收斂變形、預(yù)收斂變形和掌子面擠壓變形,如圖3所示。
隧道收斂變形是隧道開挖釋放了地應(yīng)力使隧道開挖輪廓向隧道內(nèi)發(fā)展的結(jié)果,其主要表現(xiàn)形式有:拱頂沉降、仰拱底鼓和拱腰水平收斂。圖4~圖6是模擬隧道施工到25 m處隧道收斂變形的空間分布。隧道預(yù)收斂變形是隧道開挖掌子面前方的隧道開挖理論輪廓的收斂變形。從圖4~圖6可知,拱頂預(yù)收斂變形主要在掌子面前方7 m范圍內(nèi),仰拱收斂變形主要在掌子面前方5 m范圍內(nèi),拱腰的收斂變形相對(duì)很小。
掌子面擠壓變形是由于掌子面后方土體開挖形成了臨空面,釋放了掌子面土體原有的水平地應(yīng)力,從而使掌子面及前方土體發(fā)生沿隧道縱向的水平位移。圖7、圖8反映了模擬隧道縱向25m處掌子面的擠壓變形情況,表明整個(gè)施工掌子面都產(chǎn)生了一定的擠壓變形,從擠壓變形在掌子面內(nèi)分布看,在水平方向擠壓變形是以隧道中線為對(duì)稱軸,呈拋物線形;在豎直方向擠壓變形不具有拋物線形,最大值出現(xiàn)在臨近隧道底部。通過對(duì)比隧道掌子面內(nèi)外土體的擠壓變形,表明擠壓變形主要發(fā)生在掌子面內(nèi)。圖9是模擬隧道縱向15 m處掌子面以及其前方核心土體的擠壓變形的分布,可知擠壓變形主要發(fā)生在掌子面前方4 m核心土體內(nèi)。[1][2]下一頁
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4 掌子面的穩(wěn)定性與地層位移
從圖7~圖9可見,隧道施工掌子面前方核心土體加固,提高了核心土體的剛度,從而極大地減小了掌子面及其前方核心土體的擠壓變形。表2是隧道縱向25 m處前方核心土體在加固與不加固的情況下,隧道變形和地表沉降量的對(duì)比,表明前方核心土體剛度增大能夠減小隧道的預(yù)收斂變形,也能減小隧道拱頂沉降量,但是隧道仰拱底鼓位移增大,這與仰拱施加時(shí)間有關(guān)系。
圖10、圖11顯示了掌子面前方核心土體加固效果與隧道周圍塑性區(qū)發(fā)育的對(duì)比,表明在掌子面前方核心土體在沒有加固的條件下隧道全斷面施工導(dǎo)致掌子面的不穩(wěn)定,這種不穩(wěn)定增加了隧道變形和地層位移,而施工掌子面前方核心土體的加固有利于保持掌子面的穩(wěn)定,減小隧道收斂變形和地層位移,也可以簡化隧道施工方法,如隧道臺(tái)階法開挖轉(zhuǎn)變?yōu)槿珨嗝骈_挖。
5結(jié)論
(1)隧道施工引起地層位移響應(yīng)是一個(gè)空間體系,隧道變形可分為收斂變形、預(yù)收斂變形和掌子面擠壓變形。收斂變形一部分是由掌子面前方核心土體變形所引起的,因此,調(diào)控掌子面前方核心土體的剛度能夠減小收斂變形。
(2)核心土體的變形主要表現(xiàn)為隧道預(yù)收斂變形、掌子面及核心土體內(nèi)部的擠壓變形。控制核心土體變形也就控制了隧道施工掌子面的穩(wěn)定性,從而減小了隧道收斂變形和地層位移。
(3)由意大利Lunardi等工程師提出并發(fā)展的巖土控制變形工法(ADECO-RS)是以隧道施工掌子面及其前方核心土體作為穩(wěn)定工具,認(rèn)為核心土體的變形是隧道整個(gè)變形過程的真正誘因[1], [2]。但數(shù)值模擬的結(jié)果顯示了核心土體的變形并不是隧道整個(gè)變形過程的唯一誘因,即控制核心土體的擠壓變形和隧道預(yù)收斂變形,并不能從根本上控制隧道的收斂變形。隧道收斂變形的真正原因是隧道開挖輪廓面地應(yīng)力的釋放,如何使應(yīng)力“拱效應(yīng)”均勻分布在隧道周圍,才是控制隧道收斂變形的正確有效途徑。
參考文獻(xiàn):
[1] Lunard,i P.“Design and constructing tunnels—ADECO-RS approach.”[J] Tunnels&Tunnelling International special supplemen,t May 2000.
[2] Lunard,i P.“The design and construction of tunnels using the approachbased on the analysis of controlled deformation in rocks and soils.”[OL]T&T InternationalADECO-RSApproach, May.
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