不同埋深条件下地铁暗挖区间隧道施工对地层的扰动分析

王　飞，薛晓辉，刘盛辉

(陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714099)



不同埋深条件下地铁暗挖区间隧道施工对地层的扰动分析

王飞，薛晓辉，刘盛辉

(陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714099)

摘要：以北京轨道交通6号线一期暗挖区间隧道为工程背景，运用数值模拟技术研究了不同埋深条件下地铁区间暗挖隧道施工对洞周地层的扰动背景，数值计算结果基本与实验实测数据吻合，计算模型很好地反映了隧道的受力特点，揭示了隧道埋深与隧道拱顶的应力变化规律，同时还发现地表深降与隧道埋深呈负相关性的规律，对同类工程有一定指导意义。

关键词：地铁区间；暗挖隧道；埋深；应力升高区；地表沉降槽

0引言

随着北京地区轨道交通建设的快速发展，越来越多的地铁区间隧道下穿城市建(构)筑物和市政桥梁道路。区间隧道开挖对周边地层产生扰动，洞周地层应力场产生二次重分布，洞周地层位移使得周边建(构)筑物产生差异沉降甚至开裂[1-3]。隧道埋深是地铁暗挖区间隧道的重要影响因素，因此，对不同埋深条件下地铁区间暗挖隧道对周边地层的扰动进行研究十分必要。

多位学者对隧道埋深的影响进行研究，得出了一些有价值的结论。胡学兵、乔玉英[4]等通过数值分析的方法对隧道埋深和跨度对支护结构的稳定性进行了分析。扈世民[5]采用室内模型试验和数值模拟相结合的方法对不同埋深条件下围岩压力拱的状态进行分析，对隧道开挖引发的应力场二次重分布进行了深入剖析。

以北京轨道交通6号线一期暗挖区间隧道为背景，采用数值模拟与现场实测数据统计相结合的方法，对不同埋深条件下地铁区间暗挖隧道对洞周地层的扰动进行了研究，为类似工程提供借鉴和参考。

1工程概况

北京轨道交通6号线一期沿东西向穿越城区，东起草房站、西至五路居站，线路全长30.7 m。6号线一期地铁区间均为暗挖隧道，主要穿越第四纪洪冲积物地层，主要包括黏土、砂粉土和卵石地层，如图6所示，其中单洞单线暗挖区间施工占区间隧道的比例为62.4%。

图1　6号线一期暗挖区间典型地质断面

北京地区为永定河冲积扇形地层的脊背处，整体上西高东底，主要为黏性土与砂性土互层，底部为圆砾、卵石地层。地下水主要为上层滞水、潜水和承压水，抗浮水位表现出明显的区域性，即北部较高、南部较低。通过对北京轨道交通6号线一期区间勘察报告(详堪)中各暗挖区间统计，抗浮水位相差不大，多为3～6 m。暗挖隧道施工前已采取降水措施，故不需考虑地下水的影响。

暗挖区间隧道采用单洞单线的马蹄形断面，隧道断面开挖跨度为5.8 m、开挖高度为6.28 m。采用Φ42小导管超前支护，小导管长3.0 m，环向间距0.35 m，打设角度为15°，每榀打设；初期支护采用250 mm厚C25喷射混凝土+格栅钢架间距500 mm+Φ6.5间距150 mm×150 mm单层钢筋网，钢筋网片搭接长度不小于150 mm；二衬采用C40模筑钢筋混凝土，防渗等级不小于P10，隧道断面及支护参数如图2所示。

图2　暗挖区间隧道断面及支护参数

根据北京轨道交通6号线一期区间勘察报告(详堪)及GB 50157—2013《地铁设计规范》，对隧道地层参数进行选取，见表1所示。

2数值计算模型建立

通过有限元差分程序FLAC3D建立不同隧道埋深的计算模型[6]，单洞单线区间隧道开挖宽度为5.8 m、开挖高度6.3 m，所选区间左右线间距均大于25 m，左右线相互影响较小。按照面积等效原则区间隧道等效直径D=6.24 m，分别对比D、2D、3D、4D和5D隧道拱顶不同覆土厚度开挖对洞周地层的扰动，计算模型网格划分如图3所示。

图3　暗挖区间隧道网格划分

选取区间隧道水平轴线方向为X轴，长50 m；选取区间隧道竖向轴线方向为Z轴，拱顶覆土厚度为D～5D、隧道拱底土层30 m；选取区间隧道线路方向为Z轴，取单位长度1 m。

区间地层选用摩尔库伦弹塑性本构模型，初期支护与二次衬砌服从弹性应力应变关系。具体计算参数详见表1。

3数值计算结果分析

3.1区间隧道开挖应力扰动分析

通过D、2D、3D、4D和5D隧道拱顶不同覆土厚度模型的计算，分析不同覆土厚度地表沉降的应力场变化规律，故提取隧道断面应力云图，如图4～6所示。

图4～6分别选取了隧道拱顶覆土D、3D和5D等3种工况下的应力场进行分析。选取区间隧道中线和水平轴线进行重点分析。隧道中心线方向拱顶洞周地层相同位置水平应力大于竖向应力，故最大主应力为水平应力，而水平轴线方向竖向应力为最大主应力，即在隧道中心线和水平轴线方向最大主应力方向产生了偏转。

根据不同埋深条件下的应力云图，对洞周地层最大主应力的量值和距隧道外轮廓的距离进行统计，见表2。

区间隧道开挖对洞周地层产生扰动，当拱顶覆土达到一定深度后，地层形成相对稳定的承载结构。对不同埋深条件下隧道地层最大主应力进行统计，对比2个典型应力路径最大主应力的数值和距隧道外轮廓的距离，发现隧道水平轴线方向最大主应力数值较大，且距隧道外轮廓的距离较小。

(a)竖向应力云图(b)水平应力与图

图4　埋深D条件下区间隧道应力云图/MPa

图5　埋深3D条件下区间隧道应力云图/MPa

图6　埋深5D条件下区间隧道应力云图/MPa

注：D为隧道开挖的等效直径，m。

随着隧道拱顶覆土的增大(从覆土厚度D→5D)，2个典型应力路径最大主应力的量值持续增大，且增幅越来越大。最大主应力距隧道外轮廓的距离也逐渐增大，这说明随着埋深的增大，应力升高区不断向地层深部转移。当隧道拱顶覆土达到4D后，隧道中心线方向即拱顶部位应力升高区范围变化较小，主要集中在隧道拱顶上方7m附近，隧道拱顶覆土4D塑性区的发展验证了这一点，如图7所示。

图7　埋深4D条件下隧道洞周塑性区分布

3.2区间隧道开挖位移扰动分析

地表沉降是表征隧道开挖引发地层位移对周边环境影响的重要指标[7-9]。近年来，越来越多的地铁区间暗挖隧道穿越城市核心区域。GB50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》[10]规定区间单洞单线隧道地表沉降不大于30mm，故选取地表沉降作为分析区间隧道开挖位移扰动的指标，如图8所示。

图8为不同埋深条件下地表沉降槽数值计算结果，可得以下结论：1) 不同埋深条件下地表沉降最大值均发生在隧道轴线上方，近似于正态分布；2)随着埋深的增大，隧道开挖引发的地表沉降逐渐减小，当隧道埋深为5D时，地表沉降最大值为14.1mm；3)沉降槽的宽度系数i为表征地表沉降槽曲线的重要指标，随着埋深的增大，沉降槽的宽度系数逐渐增大，二者呈现正相关性。

图8　不同埋深条件下地表沉降槽数值计算结果

4现场实测数据对比分析

以北京轨道交通6号线一期暗挖单洞单线区间实测数据为背景，选取2个典型区间断面进行拟合分析，所选区间左右线间距均大于25m，左右线相互影响较小。

Peck曲线是基于暗挖隧道实测数据得出的地表沉降预测的经验公式，目前广泛应用于北京地区地铁暗挖区间和车站的地表沉降预测。

i=kH，

式中：R为开挖半径；H为隧道拱顶覆土厚度；i为地表沉降槽的宽度系数；Vs为沿隧道轴线方向单位长度的地层损失。

韩煊、李宁、J. R. Standing对Peck曲线在北京地层的适应性进行了验证，并提出了地表沉降槽的宽度系数i和地层损失率Vs的确定方法。地表沉降槽宽度为等效轴线埋深的一半，即

图9　区间隧道1地表沉降拟合区间(埋深近1.4D)

图10　区间隧道2地表沉降拟合区间(埋深近4.2D)

图9～10为不同埋深单洞单线区间隧道根据拟合函数所得曲线，可得：1) 地表沉降槽曲线的最大值均发生在隧道轴线上方，近似于正态分布；2) 地表沉降槽曲线的最大值与隧道埋深呈负相关性。随着隧道埋深的增大，地表沉降槽的宽度系数i和地层损失率Vs均随之增大。3)数值计算与现场实测结果基本吻合。

5结语

随着北京地区轨道交通建设的快速发展，越来越多的地铁区间隧道下穿城市建(构)筑物和市政桥梁道路。采用数值模拟与现场实测数据相结合的方法，分别对比D、2D、3D、4D和5D隧道拱顶不同覆土厚度开挖对洞周地层的扰动，可得以下结论：

1) 在隧道中心线方向拱顶洞周最大主应力为水平应力，在水平轴线方向竖向应力为最大主应力，即在隧道中心线和水平轴线方向最大主应力方向产生了偏转。

2)对比2个典型应力路径最大主应力的数值和距隧道外轮廓的距离，隧道水平轴线方向最大主应力数值较大，且距隧道外轮廓的距离较小。当隧道拱顶覆土达到4D后，隧道中心线方向即拱顶部位应力升高区范围变化较小。

3) 地表沉降槽曲线的最大值均发生在隧道轴线上方，近似于正态分布。随着埋深的增大，隧道开挖引发的地表沉降逐渐减小。

4) 地表沉降槽曲线的最大值与隧道埋深呈反相关性。随着隧道埋深的增大，地表沉降槽的宽度系数i和地层损失率Vs均随之增大。

5) 选取2个典型区间断面进行拟合分析，所选区间左右线间距均大于25 m，左右线相互影响较小，数值计算与现场实测的结果基本吻合。

参考文献

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[4] 胡学兵, 乔玉英. 埋深和跨度对隧道结构稳定性影响的数值模拟研究[J].公路隧道, 2005(2) : 5-9.

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[10] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50911—2013城市轨道交通工程监测技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

The Analysis of Strata Disturbance by Mined Tunnel
Construction in Metro Sections in Different Burial Depth Conditions

WANG Fei, etc.

(ShaanxiRailwayInstitute,WeinanShaanxi714099,China)

Abstract：Taking the mined tunnel in first phase project of NO.10 line of Beijing metro as the project background, the numerical simulation technique is used in this article to study the strata disturbance of tunnel excavations under different buried depthes, and the results of numerical simulation are in agreement with the experimental data. The calculation model well reflects the tunnel stress characteristics, revealing the variation between tunnel buried depth and tunnel vault stress. Meanwhile, it has also revealed the the negative correlation rules between surface settlement and the tunnel depth, which has certain guiding significance for similar constructions.

Key words：metro sections; mined tunnel; burial depth; stress heightening area; settlement trough

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2016)01-0025-05

中图分类号：O319.56

作者简介：王飞(1982-)，男(汉)，山西运城，硕士，讲师

基金项目：陕西铁路工程职业技术学院项目基金(2014-60)

收稿日期：2016-01-04

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.006

主要研究建筑工程施工及工程管理。