地鐵隧道施工引起地層位移空間特征研究 摘 要 運用數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識了隧道收斂變形、預收斂變形和掌子面擠壓變形之間相互關聯,才能夠正確認識到引起隧道整個變形過程的真正誘因。 關鍵詞 淺埋隧道 收斂變形 擠壓變形 預收斂變形 核心土體 1 引言 基于位移控制的隧道設計與施工方法是未來城市淺埋暗挖隧道設計與施工的發展方向之一,認識隧道變形的空間特征以及其表現形式的相互關聯是發展新的隧道設計與施工理念的基礎。本文以數值方法作為試驗手段,對土質淺埋隧道施工引起地層位移進行研究。 2 數值模型簡介 北京地鐵五號線和平西橋站—北土城東路站的區間隧道采用淺埋暗挖理論進行設計與施工, A型標準斷面是以上下臺階法開挖,并保留核心土,在隧道拱部135°范圍內進行小導管注漿超前支護。模擬隧道尺寸取區間隧道A型標準斷面尺寸: 6.00 m×6.43 m,考慮隧道埋深為9.00m。數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。 計算采用美國Itasca公司開發的有限差分軟件FLAC3D。有限差分模型見圖1,共66 800個單元,71 604個節點。監測了地表沉降、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處掌子面內外監測點布置見圖2。數值計算的步驟為:全斷面開挖進尺1 m并計算,施加初期支護并進行下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。地層力學參數及掌子面前方核心土體加固的力學參數見表1。
3 隧道變形空間特征
在初始地應力場的條件下地層處于穩定平衡狀態,由于隧道施工導致地層缺失而引起地層位移,在地表主要表現為地面開裂、地面沉降和沉陷槽,在隧道周圍主要表現為隧道收斂變形、預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力使隧道開挖輪廓向隧道內發展的結果,其主要表現形式有: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,拱頂預收斂變形主要在掌子面前方7 m范圍內,仰拱收斂變形主要在掌子面前方5 m范圍內,拱腰的收斂變形相對很小。
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力,從而使掌子面及前方土體發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,表明整個施工掌子面都產生了一定的擠壓變形,從擠壓變形在掌子面內分布看,在水平方向擠壓變形是以隧道中線為對稱軸,呈拋物線形;在豎直方向擠壓變形不具有拋物線形,最大值出現在臨近隧道底部。通過對比隧道掌子面內外土體的擠壓變形,表明擠壓變形主要發生在掌子面內。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生在掌子面前方4 m核心土體內。[1][2]下一頁
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4 掌子面的穩定性與地層位移
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比,表明前方核心土體剛度增大能夠減小隧道的預收斂變形,也能減小隧道拱頂沉降量,但是隧道仰拱底鼓位移增大,這與仰拱施加時間有關系。
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發育的對比,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致掌子面的不穩定,這種不穩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,如隧道臺階法開挖轉變為全斷面開挖。
5結論
(1)隧道施工引起地層位移響應是一個空間體系,隧道變形可分為收斂變形、預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為隧道預收斂變形、掌子面及核心土體內部的擠壓變形。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定工具,認為核心土體的變形是隧道整個變形過程的真正誘因[1], [2]。但數值模擬的結果顯示了核心土體的變形并不是隧道整個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力的釋放,如何使應力“拱效應”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:
[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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