地铁连拱隧道变形及地面沉降控制研究

2016-02-13徐向明

铁路技术创新 2016年6期

■ 徐向明

地铁连拱隧道变形及地面沉降控制研究

■ 徐向明

结合深圳地铁7号线工程实践，通过数值模拟和现场实测相结合的方法，对地铁连拱隧道关键点的位移和应力分布进行研究。建立三维数值计算模型，对双侧壁法各施工步序进行逐步模拟，模拟结果显示：对于隧道变形，施工中先期开挖上拱为最不利工况；对于地面沉降，主要沉降区域为离左右线中心线对应地表点左右60 m的区域。为对隧道的受力和变形进行动态反馈预测，布设了施工监测点，主要监测项目有隧道收敛和拱顶下沉、地表沉降、钢架及衬砌应力。为保障隧道安全，可采取超前大管棚支护和设置横向支撑等主动措施及袖阀管补偿注浆等被动措施。实践证明，中隔墙加设临时侧向支撑有利于控制初支变形，大管棚更有利于控制地表沉降，地面跟踪注浆可在沉降超限的情况下采用。

深圳地铁；连拱隧道；变形控制；地面沉降；数值模拟；现场实测；加固措施

0 引言

随着城市隧道与地铁建设的兴起，大量矿山法隧道穿越城市建成区，相应的工程自身风险和与之引起的环境问题引起越来越多的关注。由于设计中受线路影响，区间在左右线分离或交汇断面转化处往往采用连拱隧道。连拱隧道的结构受力复杂，开挖面积与跨度大，不但浅埋时存在巨大工程风险，深埋时因形变压力大、挤压变形严重，也存在较大施工风险。隧道的施工会对上覆地层产生挠动，地表产生的移动和变形较大时，往往又会引起临近地上已有建筑物、构筑物的开裂、沉降倾斜等问题，这些现象对于连拱隧道尤为明显。结合深圳地铁7号线工程实践，通过数值模拟和现场实测相结合的方法，对关键点的位移和应力分布进行研究，提出地铁连拱隧道关键支护设计方法和地面沉降控制措施，为地铁连拱隧道设计提供技术支持。

1 研究现状

目前，对连拱隧道的研究主要集中在铁路与公路部门，主要研究手段有模型试验和数值模拟方法。随着计算机技术的快速发展，大型通用有限元程序大量涌现，这些计算方法都能解决隧道围岩非线性问题，包括弹塑性、粘弹性、模态分析等相关的各向异性问题[1]。卢耀宗与杨文武利用非连续变形数值分析软件UDEC模拟莲花山大跨度连拱隧道的施工过程，提出连拱硬岩隧道中隔墙岩柱跳槽式开挖的施工方案；夏才初与刘金磊利用有限元法分析相思岭连拱隧道中墙应力，得到确定中墙应力较为准确的围岩压力计算方法，并分析了围岩弹性抗力对连拱隧道中墙应力的影响[2]。

从已有文献来看，国内对小间距连拱隧道多采用二维有限元分析，并且大多是公路隧道及铁路隧道，对城市地铁隧道相关研究涉及较少。城市隧道一般都会穿过人口密集、交通繁忙、地面建筑物林立的繁华地段，这对施工引起的地表沉降变形的控制要求很高。特别是覆盖层厚度较小时，隧道施工过程中，围岩的位移变化很大程度上反应在地表沉降上，大跨度的连拱隧道对这种现象尤其敏感。因此，对地表沉降的研究显得格外重要[3]。

2 数值模拟模型

2.1 建模概况

深圳地铁7号线工程深云—安托山区间位于深圳市南山区及福田区。区间起讫里程为DK8+248．279—右DK9+766．355，长1 518．076 m。其中DK8+326．3—DK8+357．0区段为分离式连拱隧道设计，单洞隧道开挖净宽为16．20 m、净高为12．45 m，左右两隧道净距不足2 m，连拱隧道段长30．7 m。连拱隧道主要位于中、微风化岩层，拱顶位于全、强风化地层。隧道埋深13．5～19．5 m。隧道距北环大道较近（约20 m），若处理不当可能对周边道路造成一定影响或破坏。

以该区段实际情况为依据建立三维数值计算模型，模型上边界为地表，底边界取隧道底以下30 m（约2H，H为主洞矢高），宽度取120 m（约7D，D为单洞跨度），线路纵向考虑边界效应取30 m。建立的计算模型见图1。

计算中采用不同本构模型模拟不同材料，对于衬砌、中墙等应用线弹性模型，各层土体采用莫尔-库仑（M-C）模型，围岩物理力学参数见表1。区间隧道的初衬、二衬采用板单元模拟，锚杆采用植入式桁架单元模拟，注浆体采用改变材料力学参数来实现[4]。连拱隧道初期支护模型见图2。

2.2 施工过程模拟

根据施工工序示意图（见图3），数值分析中对双侧壁法各施工步序进行了模拟，具体施工过程为：

（1）中导洞采用双侧壁导坑开挖。开挖前一次超前注浆3 m，开挖每进尺2．0 m进行一次注浆。

图1 连拱隧道计算模型

表1 围岩物理力学参数

图2 连拱隧道初期支护模型

图3 施工工序示意图

（2）中导洞初喷，立钢架挂网，打设锚杆，喷射混凝土后回填灌注小导洞后的墙后空间。

（3）模拟开挖主洞1部，开挖每循环进尺1．0 m，增加壳体模拟临时中隔壁，并完成左半部初期扣拱支护及仰拱封闭。

（4）模拟开挖主洞2部，落后1部5 m，开挖每循环进尺1．0 m，增加壳体模拟临时中隔壁，并完成右半部初期扣拱支护及仰拱封闭。

（5）模拟开挖主洞3部，落后2部5 m，开挖每循环进尺1．0 m，增加壳体模拟临时中隔壁，并完成仰拱封闭。

（6）模拟开挖主洞4部，落后3部7 m，开挖每循环进尺1．0 m，增加壳体模拟临时中隔壁，并完成仰拱封闭。

（7）分段（10 m）拆除底部中隔壁壳体，激活二衬底板结构单元。

（8）分段（10 m）拆除上部临时支护壳体，激活二衬边墙和拱顶结构单元。

计算中重点关注以下几个关键施工步序，即：中导洞施工、左上台阶施工、右上台阶施工、左下台阶施工、右下台阶施工、左上拱施工、右上拱施工、左下拱施工、右下拱施工，所有结果也按上述步骤进行提取。

3 数值模拟结果与分析

3.1 支护变形分析

双侧壁法9个关键步序引起的支护结构变形见图4。通过计算可知，拱顶处是施工的薄弱环节。最大竖向变形在拱顶处，为27．15 mm（下沉）；其次出现在仰拱处，最大变形量为13．44 mm（隆起）。最不利工况出现在左上拱施工，拱顶最大变形量从拆撑前的11．21 mm变化到24．78 mm，占总变形量的49%；上台阶拱脚处出现水平位移，为12．73 mm，占总水平变形量的87%。随着单线掌子面开挖的推进，既有结构内力中弯矩及大部分位置的轴力变化不明显，只有靠近单线侧的拱腰处变形较明显。

图4 各施工工况初支变形云图

根据位移矢量图（见图5）可知，在埋深工况下，毛洞的洞周变形逐渐转为两隧道中岩墙附近的挤压变形及拱顶沉降。随着分部开挖，两洞中岩墙附近的挤压变形逐渐由集中在拱肩向下变化，即拱肩到拱腰均有较大的挤压变形[5]。

3.2 地面沉降分析

从数值模拟结果来看（见图6、图7），施工过程最大沉降为27．75 mm，地表最大位移与开挖步序有关，由于左洞进尺大于右洞，其受左侧开挖的影响较右侧明显，相对来说在右侧开挖以后地表最大位移有减少趋势。在大面积开挖左上拱的过程中，地表位移变化较大。当左右洞施作完毕后，最大沉降量出现在左右线间，为左右线沉降量的累加值。

由于模型中仅为支护变形引起的沉降，未考虑地层失水造成的地面沉降，因此实际沉降值可能超过控制值，需采取辅助措施以控制周边环境沉降。

图5 位移矢量图

图6 连拱隧道施工地层位移云图

图7 地表横向沉降图

从地表横向位移得出（见图7），在隧道开挖过程中地面沉降范围主要为左右线中心线对应地表点左右60 m的区域内（1．5D）。分块分部开挖会对地层造成多次扰动，从而产生的地面沉降不断叠加。其中中导洞开挖引起的沉降量占总沉降量的12%，左上下台阶开挖后地面沉降量占总沉降量的23%，右上下台阶开挖后地面沉降量占总沉降量的35%，左上拱开挖后施工引起的地表沉降值占其总沉降值的82%。其后地面沉降逐渐趋缓，地表的最终沉降值为27．75 mm。

由地表纵向沉降曲线可知（见图8），隧道开挖地面沉降纵向影响范围在掌子面前方20 m及掌子面后方。在两洞施工过程中，各工序沉降量变化趋势与横断面相同。掌子面的推进对单线隧道自身结构的强影响区域为距研究断面起6～9 m，弱影响区域为9～30 m，即掌子面推进到距研究断面30 m后，研究断面的沉降量已趋于稳定。

图8 地表纵向沉降图

4 现场监测和加固措施

4.1 监控量测的实施

为对设计和施工进行指导，及时反映支护情况和围岩动态过程，对隧道的受力和变形进行动态反馈预测，7号线深云—安托山区间在施工过程中根据规范和设计要求布设了施工监测。主要监测项目有隧道收敛和拱顶下沉、地表沉降、钢架及衬砌应力。

隧道收敛和拱顶下沉是在预设点的断面隧道开挖爆破以后，沿着隧道周边的拱顶和边墙部位各埋设一个球头测桩（布点见图9）。地面沉降是在隧道开挖纵、横向1．5倍埋深范围内的区域埋设测点，利用高精准水准仪，对测点进行监测（布点见图10）。埋设测点时，将长的中螺纹钢筋打入地表土层内，顶面用红漆涂一个醒目标志，便于辨认和保护。

4.2 现场量测数据分析

根据现场监测数据，隧道收敛和拱顶下沉随时间呈缓慢变化—急剧增加—区域稳定3个阶段，各测点隧道洞身变形见图11。其中中导洞施工后，各个分部的开挖和工序转换过程中的沉降值为29 mm，占总沉降（41 mm）的大部分。左上拱施工，拱顶最大变形速率为3．2 mm/d，最大变形值21 mm，占总变形量的51%，与数值模拟规律基本一致。隧道洞周变形呈拱顶最大、内侧拱腰次之、仰拱最小的规律。左拱腰围岩最大位移速率和最大位移量均比右拱腰大，一方面是由于左侧偏压的影响，另一方面也说明开挖左上拱释放了大部分应力。

图9 隧道变形测点布置图

图10 地表变形测点布置图

图11 各测点隧道洞身变形图

图12 各测点地面沉降变形图

开挖阶段地面沉降沿水平方向呈Peck沉降槽规律（见图12），与数值模拟计算结果基本一致。发生沉降范围在隧道中心轴线70 m范围内，距离中心越近沉降值越大；地表沉降左洞明显大于右洞，且越往左沉降越明显。其中左洞拱顶两侧的沉降要大于洞顶，说明拱顶相对稳定但拱腰需加强刚度。采取先外后内的开挖顺序对中间岩柱范围的围岩扰动较大。

4.3 加固措施

根据监测，隧道初支及地面沉降变化较大。隧道自身风险和环境风险较高时，需要采取相应的辅助措施，以保证隧道自身和周边环境的安全。辅助措施一般可分为主动措施和被动措施。

结合数值模拟结果，隧道初支最大变形发生在拱顶下沉及中岩墙附近的挤压变形处。因此设计采用的主动措施主要有超前大管棚支护和设置横向支撑。当周边建筑物沉降超预警值时，采用袖阀管补偿注浆的被动措施（见表2、图13）。

通过计算可知，超前大管棚可以有效控制初支变形和地面沉降；加设横向支撑对初支变形，尤其是水平位移，有积极的控制作用，但对地面沉降控制有限；地面追踪注浆可以控制地面沉降（见表3）。可见，通过辅助加固措施，初支和地表沉降值明显减少，还缩短了前后影响距离。对于复杂工况下连拱隧道开挖，应重视主动加固措施，提高隧道自身安全性，控制开挖沉降量，地面加固可作为在沉陷超限情况下的补救措施。