地铁浅埋暗挖施工对地表沉降及邻近桥基的影响

2017-07-24田晓艳

河南科技大学学报(自然科学版) 2017年3期

关键词：土法工法桥墩

刘静，田晓艳

(西安石油大学机械工程学院，陕西西安 710065)

地铁浅埋暗挖施工对地表沉降及邻近桥基的影响

刘静，田晓艳

(西安石油大学机械工程学院，陕西西安 710065)

针对地铁隧道开挖诱发地表下沉，致使已有桥基变位的问题，采取经验法的叠加原理预测双线隧道开挖对地表沉降曲线的影响。以西安地铁3#线某区间为工程背景，采用三维有限差分数值(FLAC3D)软件模拟浅埋暗挖不同工况对地表和邻近桩基沉降的影响。理论分析及数值模拟结果均表明：双线隧道引发的地表沉降呈“U”型曲线分布，且沉降槽宽度影响范围和地表沉降均较单线隧道大。环形开挖预留核心土法可作为该区间隧道的主要施工工法。现场监测分析表明：该施工工法能有效地降低地表沉降和桩基变形，对黄土地区该类隧道工程具有一定的指导意义和借鉴价值。

叠加原理；地表沉降；FLAC3D软件；邻近桩基沉降；环形开挖预留核心土法；现场监测

0 引言

地铁开挖引起周边土层的内力重分布，必然对周边环境带来危害，产生危害的主要原因是地表出现较大的沉降甚至塌陷，根源是地铁开挖引起隧道边缘土层损失以及土体受剪失效后的再固化效应。文献[1]对全球51条实测地表沉降曲线进行了拟合，80%的数据与正态分布拟合相关性在0.8以上。Peck理论[2]计算原理简洁，实践证明其在国内外有广泛地区适应性，且数值模拟在一定程度上会弥补经验公式的不足。由于受城市地面交通压力以及建设用地紧张的限制，城市地下工程必须在已有桥梁桩基附近修建，如何在隧道建设期间保证既有桩基的安全稳定已成为工程界关注的课题。工程实践中为保证桩基的稳定而采取偏于保守的桩基托换施工方案，无疑会增加工程造价，因而有必要研究地铁隧道开挖引起的土体位移对邻近桩基的影响。文献[3-4]基于离心场的室内物理模型，试验了黏性土地基隧道开挖对桩基的影响规律。文献[5]通过室内试验，将隧道开挖过程简化为施加于桩体上的水平位移和竖向位移，研究隧道开挖对竖向受荷桩的影响。文献[6]基于荷载传递法和Winkler地基模型，利用两阶段分析法，通过迭代法求出隧道开挖与邻近单桩相互作用的弹塑性解答。文献[7]采用两阶段分析法，分析了地铁隧道开挖引起土体的竖向位移对单桩的影响规律。但上述研究均不能很好地反映隧道的实际开挖及推进过程，且未考虑土体的非线性与分层性，因此，本文以西安地铁3#线延兴门站—咸宁路站区间隧道工程为依托，基于经验法的叠加原理预测双线隧道对地表沉降曲线的影响，采取数值模拟软件研究了浅埋暗挖不同工况对地表和桥桩沉降的影响，从而为邻近桥桩隧道施工和支护方案的优化提供参考。

1 双线平行隧道诱发地表竖向沉降

城市地铁修建多采取双线平行隧道，其对地表的影响较单线复杂，工程期间第2条隧道一般滞后开挖。故而在工程上引用Peck理论[2]和叠加理论[8]初估双线隧道的地表沉降：

(1)

其中：S(x,z)为地表x点的竖向沉降；x为距隧道中心线的距离；d为双线隧道中心距离；Vl为地层损失体积；i为地表沉降槽宽度系数，文献[8]取：

(2)

但式(2)适用于岩石类散状介质，并非土体介质，故而本文拟采取式(3)[8]：

i=m[R+Htan (45-φ/2)]，

(3)

图1 隧道与桥桩位置图

式(3)涵盖了隧道自身概况和土质概况。其中：φ为土体内摩擦角；m为比例系数，m=0.45～0.50。

2 工程实例分析

以西安地铁3#线延兴门—咸宁路站区间隧道工程为依托，左线长544.917 m，右线长543.591 m，起讫里程为(Z(Y)DK28+089.638)～(Z(Y)DK28+633.229)。图1为隧道与桥桩位置图，其中：每个桥墩4根桩，括号里为后排桩，桩长L=45.00 m，桩径D=1.50 m，泊松比μ=0.2，密度ρ=2 600 kg/m3，弹性模量E=30 000 MPa。表1为土层力学参数。

表1 土层力学参数

图2 地表竖向沉降曲线图

2.1 经验法估算地表竖向沉降

图2为地表竖向沉降曲线图。由图2可知：隧道上覆土层较薄且间距较大时，通过叠加理论得出双线隧道的地表沉降曲线呈“U”型，且沉降槽宽度影响范围较单线隧道大，为33.6 m。

2.2 数值模拟

采取ANSYS模拟地铁开挖工法，网格划分后导入三维有限差分数值(FLAC3D)软件模拟桥基(1#桥墩、2#桥墩)及土体，土体参数见表1。图3为FLAC3D桩隧位置关系模型图，其中：模型沿掘进方向前后各取69 m，横向左右各取45 m，厚度自地面向下取48 m[9]，地表为自由边界；水平向为固定边界[10]；左线滞后右线约130 m开挖。采用上下台阶法[10]、环形开挖预留核心土法[11]、CRD法[12]和双侧壁导坑法[13]4种工法模拟隧道开挖对邻近桥桩的影响。

2.3 不同工法诱发的地表竖向沉降

图4为4种工法的地表竖向沉降图。由图4可知：隧道掘进引起地层变位是一个渐进的动态过程，

图3 FLAC3D桩隧位置关系模型图

但不同工法诱发的地表沉降型式基本一致，且最大值均在其拱顶部位，数值从大到小依次为：上下台阶法>环形开挖预留核心土法>CRD法>双侧壁导坑法。

2.4 不同工法引发的桩顶沉降

图5为4种工法的桩顶竖向沉降图。由图5可知：隧道开挖后引发的桩顶竖向沉降与桩隧间距呈反比关系，即桩隧间距越小，扰动越大，桩顶竖向沉降越大。数值从大到小依次为：上下台阶法>环形开挖预留核心土法>CRD法>双侧壁导坑法，且1#、2#桩>3#、4#桩>5#、6#桩>7#、8#桩。分析可能原因：上下台阶法施工成拱时间较长，土体扰动大，故沉降大；CRD法和双侧壁导坑法施工能够及时封闭成环，故可有效控制岩体变形，但其施工速度慢，后续工序较麻烦，造价高；虽然环形开挖预留核心土法对地表竖向沉降及桩顶沉降较CRD和双侧壁导坑法大，但数值在可控范围之内，尤其是环形开挖预留核心土法在开挖过程中上部留有核心土支撑着开挖面，能迅速及时地建造拱部初次支护，所以开挖工作面稳定性好，施工安全性高。

图4 4种工法的地表竖向沉降图5 4种工法的桩顶竖向沉降

综上所述，不同工法对土体扰动和桩基的影响程度不同，综合考虑各工法的适用性及工程造价，本区间隧道采取环形开挖预留核心土法施工，对于变形要求比较高的路段，从安全及控制变形的角度考虑，可采用CRD法或双侧壁导坑法过渡施工。

3 监测结果

经上述分析，此段区间采取环形开挖预留核心土法开挖，且根据需求设置相应的监测点现场验证开挖方法的适宜性。图6为沉降监测点布设图，其中：1-1～1-11代表断面1的11个监测点。图7为桥桩桩基监测点。

3.1 地面竖向沉降监测结果

地铁开挖扰动土体，围岩径向收缩，最终引发地表沉降，于2014年7月2日～2014年10月19日对ZDK28+135.625断面和ZDK28+110.625断面进行监测，沉降变化趋势一致，故选取一个断面进行研究。

图6 沉降监测点布设图图7 桥桩桩基监测点

图8 ZDK28+135.625断面地表沉降曲线

图8为ZDK28+135.625断面地表沉降曲线图。由图8可知：该断面处地铁右线较左线地表沉降偏大，因为施工时右线先施工，所以右侧最终沉降最大达到27.57 mm，左侧最终沉降达到26.94 mm，两侧沉降基本呈对称分布，与数值模拟结果基本吻合，且10月19日的掌子面远离该断面，表明地表沉降趋于稳定。

图9为1-1～1-6监测点沉降曲线图。由图9可知：地表沉降约为3个阶段,7月2日～7月11日，初期沉降较小；7月11日～8月6日，中期快速沉降且数值大；8月6日～10月19日，末期沉降速度趋于平缓。

3.2 既有桥墩桩顶沉降监测结果

图10为桥墩桩顶沉降变化曲线，其中，1#、2#桥墩位于ZDK28+135.625断面，3#、4#桥墩位于ZDK28+110.625断面。由图10可知：1#～4#桥墩桩顶沉降与土体沉降趋势基本一致，1#桥墩桩顶沉降1.25 mm，2#桥墩桩顶沉降0.05 mm，3#桥墩桩顶沉降1.50 mm，4#桥墩桩顶沉降 0.06 mm；3#、4#桥墩沉降略大于1#、2#桥墩的原因是前序施工扰动增加了土体沉降。

图9 1-1～1-6监测点沉降曲线图10 桥墩桩顶沉降变化曲线

4 结论

(1)叠加经验公式为预测双线隧道开挖引发地表竖向沉降提供了快速简便的工程计算方法。

(2)施工中优化合理选择工法可降低地表和邻近桩基的竖向沉降。本工程区间隧道主要采取施工工艺简单、工程造价低、且能有效控制变形的环形开挖预留核心土法，且注意到快速施工、快速封闭亦可缓和其变形。

(3)由于隧道开挖引起地层沉降是一个渐进的动态变化过程，所以在施工期间采用信息化量测的手段及时监测和反馈，可实现全程的控制与管理。

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国家自然科学基金项目(51405385);陕西省教育厅专项科研计划基金项目(15JK1562);西安石油大学博士科研启动基金项目(250205002)