浅埋暗挖隧道围岩变形特性分析
2019-06-07戚翼王平
戚翼 王平
摘要：本文以哈尔滨地铁二号线南直路车站暗挖段SK25+490断面为背景，通过收集现场监测数据，绘制地表沉降和拱顶下沉的历时变化曲线。运用FLAC3D软件，结合隧道的工程概况建立三维模型，对隧道开挖后地表和拱顶位移的变化趋势进行数值分析。通过综合比对数值分析结果和现场监测数据，发现随着掌子面的推进，隧道围岩的变形可分为快速变形，缓慢增长，基本稳定三个阶段，并且隧道开挖面距离观测点一倍洞径范围内时沉降速率较大，大于两倍洞径后沉降速率开始减缓。通过对比现场监测数据和数值分析的结果发现二者相似度较高，对合理选择施工方法和支护衬砌的类型具有指导意义。
关键词：浅埋隧道;围岩变形;监控量测;数值模拟
中图分类号：U456.31文献标识码：A文章编号：1006-8023（2019）02-0107-05
Analysis of Deformation Characteristics of Surrounding Rockin Shallow Excavation Tunnel
QI Yi， WANG Ping
（School of Civil Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040）
Abstract：Based on the background of SK25 + 490 section in the underground excavation section of Nanzhi Road Station of Harbin Metro Line 2， the duration curve of surface subsidence and the vault sink are drawn by collecting on-site monitoring data. By using FLAC3D software and combining with the general situation of tunnel engineering， a three-dimensional model is established to numerically analyze the variation trend of ground surface and vault displacement after tunnel excavation. Through comprehensive comparison of numerical analysis results and field monitoring data， it is found that the deformation of tunnel surrounding rock can be divided into three stages： rapid deformation， slow growth and basic stability with the advance of palm face. And the settlement rate of the tunnel excavation face is larger than that of the observation point， and the settlement rate starts to slow down after the double hole diameter. By comparing the results of on-site monitoring data and numerical analysis， it is found that the similarity between the two is relatively high， which has guiding significance for the reasonable selection of construction methods and types of supporting lining.
Keywords：Shallow tunnel; surrounding rock deformation; monitoring measurement; numerical simulation
0引言
隨着地铁在我国各大城市的兴建，浅埋暗挖法以地层改良、时空效应和快速施工等特点在软弱地层中得到广泛应用。本文中隧道暗挖段采用PBA工法施工，PBA工法是浅埋暗挖法的一种，其主要思想是将盖挖及分步暗挖法相互结合起来，发挥各自的优势，当地质条件差、断面特大时，通过边桩、柱、顶底梁和顶拱共同构成初期受力体系，承受施工过程中的荷载，最终形成由初期支护加二次衬砌组合形成的永久承载体系 [1]。
但是在隧道施工过程中引起的地表沉降和围岩的变形问题仍然是设计、施工人员和科研工作者普遍关注的问题 [2]。隧道围岩的动态监控量测是判断围岩是否安全稳定的重要手段，本文以哈尔滨地铁二号线南直路站暗挖段为背景，先通过对拱顶下沉和地表沉降现场监测数据的分析，总结了在隧道施工过程中围岩变形的规律，然后用FLAC3D软件建立三维模型，对隧道的开挖过程进行数值模拟，分析隧道SK25+490断面的地表沉降、拱顶下沉位移变化情况，并将现场监测结果与模拟结果进行比对，分析隧道围岩的变形规律，对隧道的施工具有一定的参考价值 [3]。
1工程概况
1.1工程概况
南直路站位于南直路与珠江路交口处，沿珠江路东西方向布站。下穿公滨路南直立交桥引桥，南直路与珠江路交口处主体结构为地下双层两跨连拱直墙结构，采用暗挖PBA工法逆筑施工，使用φ32小导管超前预注浆加固地层;大拱处采用大管棚超前施作，φ32小导管超前预注浆加固地层;大拱处分洞室开挖。车站暗挖段起点里程为SK25+455.845，有效站台中心里程为SK25+486.954，终点里程为SK25+518.054，暗挖段结构全长62.2 m，宽19.9 m，站台宽11 m，车站中心里程处轨面埋深高程为123.034 m，覆土约5.5 m。
1.2工程地质
本场地钻探深度范围（50 m）的地基土主要由人工填土和一般第四纪沉积土组成。按其成因、结构特性、土性的不同和物理力学性质上的差异，可分为5个大层，各地层结构如下：全新统人工堆积层（Q4 ml，杂填土①）、上更新统哈尔滨组冲洪积层（Q3 2hr al+pl，粉质黏土（①）、粉质黏土（②）、粉质黏土（②-1））、中更新统上荒山组湖积层（Q2 2h 1，粉质黏土（①）、粉质黏土（②）、粉质黏土（②-2））、中更新统下荒山组冲积层（Q2 1hl al，粉质黏土（①）、粉质黏土（①-1）、细中砂（②）、粗砂（③）、粗砂（④））、下更新统东深井组冰水堆积层（Q1 2d fgl，粉质黏土（①）、粗砂（②））。
2现场监测与数据分析
现场监测是目前研究隧道围岩变形一个重要手段，可以第一时间得到真实有效的监测数据，通过现场监测，可以掌握围岩稳定与支护受力变形的动态和信息，并通过对围岩和支护的变化、应力量测，修改支護体系设计，指导施工作业 [4]。以前对于隧道的设计完全依赖于经验，但随着理论分析手段的快速发展，其分析成果越来越被人们重视 [5]。所以，进行现场监控量测，研究岩体的变形规律和稳定性，可以很好的为其他类似工程提供经验，对于隧道理论的发展具有重要意义 [6]。
2.1监测内容及检测频率
针对隧道围岩的变形，主要监测其拱顶下沉和地表沉降。拱顶下沉测量是判断支护效果、指导施工作业、确认围岩稳定性、保证施工质量的基本方法;地表沉降对于浅埋隧道而言，是其判断隧道围岩稳定性的一个重要标志 [7]。浅埋隧道通常位于软弱、稳定性较差的围岩中，如果施工方法不当容易发生地表有害下沉，当地表有建筑物时会危及其安全 [8]。因此，地表沉降的量测可以为隧道的开挖速度和支护结构的强度参数提供依据，以确保整个隧道结构和周边环境的安全 [9]。拱顶下沉和地表沉降监测断面布置如图1所示。
隧道地表沉降点布设方式：在每一导洞和扣拱正上方各布设一排测点，车站结构开挖线外各布设两排测点，测点间距5 m。拱顶下沉量测点布设方式：纵向每5 m一个断面，与地表沉降监测断面相对应 [10]。
当沉降或收敛速率大于2 mm/d（或 L≤B 时），1～2次/d;0.5～2 mm/d（或 B
2.2拱顶沉降分析
拱顶下沉位移能够直接反映围岩的变形，也是监控量测的重点。本文选取3号导洞SK25+490断面上各监测点为研究对象，对得到的监测数据进行分析整理，得到的沉降规律曲线如图2和图3所示 [11]。
根据图2和图3的沉降实测结果分析可知：
（1）拱顶位移随时间的变化规律主要表现为：在隧道开挖前期，位移随时间的增长迅速增大，当达到一定时间后位移增长速率呈缓慢趋势，最后达到稳定 [12]。围岩的变形可总结为以下三个阶段：急剧变形阶段（8.23～9.3）隧道开挖后围岩的初始变形速率很大，累积收敛位移占最终观测收敛位移的80%左右;缓慢增长阶段（9.4～9.11），变形速率开始减缓，这部分累积收敛位移约占最终观测收敛位移的20%左右;基本稳定阶段（9.12～9.19），变形量基本不再增加，变形速率趋近于零，隧道围岩趋于稳定。
（2）从拱顶沉降历时变化曲线来看，该断面在检测期间拱顶下沉量较小，最大值为1.5 mm，下沉与收敛速度呈收敛趋势，表明隧道围岩在开挖后及时的初期支护体系作用下变形较小。
（3）当开挖面距离测点一倍洞径范围内时，沉降值较大，大于两倍洞径后沉降值明显减小，这是由于隧道在开挖后及时的支护带来的有利影响。
2.3地表沉降分析
地表沉降的监测是现场监控量测的重要组成部分。通过隧道开挖时的监控量测，可以及时的掌握地表沉降的信息。以3号导洞SK25+465断面上各监测点为研究对象，通过监测数据可以得到沉降量的变化过程，得到的沉降曲线如图4和图5所示。
根据图4和图5的沉降实测结果分析可知：
（1）由于同一断面左、右线距离较近，同一断面上左、右线的沉降数值和沉降规律较为相近，距离隧道中心线的距离越近，地表沉降越大 [13]。
（2）断面左线上方的沉降值大于右线上方的沉降值，是由于左上导洞先开挖，再加上右上导洞开挖时使左上导洞周围的土体受到扰动，所以在左线开挖时产生较大沉降。
（3）断面累积沉降值变化较为平缓，无异常现象出现，即隧道的下沉变形处于正常变形状态。
3围岩变形的数值模拟分析
3.1计算模型
采用FLAC3D有限差分软件，结合隧道的实际开挖情况建立三维模型，对隧道的开挖-支护过程进行模拟计算。由于隧道开挖而引起应力重分布的影响范围为6倍洞径，所以模拟的范围取6倍洞径，模拟隧道开挖长度为60 m，模型的左右边界距离隧道边界25 m，上下边界的长度取45 m。数值模型的断面形状如图6所示 [14]。
围岩的力学模型采用Mohr-Coulomb弹塑性模型;初期支护（喷射混凝土）采用实体单元模拟，本构模型为弹性模型。模型的左右边界和底部均为单向约束位移边界条件，模型顶部施加应力边界条件，围岩的初始应力为上覆土体的自重应力 [15]。
3.2模拟结果分析
图7为隧道围岩在竖直方向的位移云图。从图中可以看出，拱顶的最大沉降值位于导洞中心线的正上方，最大沉降为12.5 mm，与现场监测数据相比偏大，但差值很小。
图8为地表沉降的位移云图，由数值模拟的结果可以看出，隧道在初期支护的条件下开挖引起的地表沉降，在隧道中心线的正上方处最大，为11 mm。从图8中可以明显的看出隧道开挖形成的地表沉降槽，在同一断面，在隧道轴线正上方沉降值最大，距离隧道轴线距离越远沉降量越小，逐渐趋于稳定 [16]。且地表累积沉降量随埋深的增大而减小。
以纵向20 m处断面为研究对象，整理拱顶随开挖面变化的沉降数据，绘制曲线图如图9所示。由沉降曲线分析可知，随着开挖面的向前推进，围岩变形主要经历了从急剧变形到逐渐缓和，最后达到平稳三个状态。为初期支护体系的施工时间和预报围岩变形提供理论依据 [17]。
4结论
本文以哈尔滨地铁二号线南直路站暗挖段为背景，结合典型断面的相关数据，进行具体分析。并采用FLAC3D软件对隧道在初期支护条件下的开挖过程进行了模拟，通过围岩在竖直方向的位移云图与现场变形实测数据的对比，分析得出如下结论。
（1）通过对监测数据和数值模拟结果的分析，隧道的地表沉降在断面中心线正上方变形最大，距离轴线越远沉降量越小，并且隧道开挖面距离观测点一倍洞径范围内时沉降速率较大，大于两倍洞径后沉降速率减缓，逐渐趋于平稳。
（2）从拱顶下沉和地表沉降的变化曲线可以看出，二者之间是相互影响的，拱顶下沉过大，相应的地表沉降也会呈现相似的变化趋势。
（3）根据现场监测数据和模拟结果得知围岩的沉降数值较小，处于沉降控制标准范围之内，是由于隧道在开挖的过程中及时的进行初期支护，经过一段时间的应力调整，使支护体系的受力趋于稳定。
现场监测数据和数值分析的围岩变形规律相似度较高，证明了数值模型的合理性，所得规律，为相似隧道工程的安全施工提供借鉴。
【参考文献】
[1]
张向东，王群，盛超.黑龙江哈尔滨地铁盾构法施工地面变形规律分析[J].中国地质灾害与防治学报，2011，22（3）：113-118.
ZHANG X D， WANG Q， SHENG C. Analysis of ground deformation law of Harbin metro shield construction in Heilongjiang Province[J]. Chinese Journal of Geological Hazard and Control， 2011， 22（3）：113-118.
[2]伦培元. 黄土地区大断面浅埋暗挖隧道施工监测与稳定性分析[D]..西安：西安建筑科技大学，2012.
LUN P Y. Construction monitoring and stability analysis of large section shallow buried tunnel in loess area[D]. Xian： Xian University of Architecture and Technology， 2012.
[3]李志清，丁春林，竇世学，等.大断面浅埋黄土隧道围岩变形特性分析[J].地下空间与工程学报，2014，10（S1）：1623-1628.
LI Z Q， DING C L， DOU S X， et al. Analysis on the deformation characteristics of surrounding rocks of large section shallow buried loess tunnel[J]. Journal of Underground Space and Engineering， 2014， 10（S1）：1623-1628.
[4]吴旭平，杨新安，李亚翠，等.含软弱夹层浅埋隧道变形特性及控制指标研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33（S1）：2685-2691.
WU X P， YANG X A， LI Y C， et al. Study on deformation characteristics and control indicators of shallow buried tunnel with weak interlayer[J]. Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2014， 33（S1）：2685-2691.
[5]PARK K H. Analytical solution for tunneling-induced ground movement in clays[J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2005， 5（20）：249-261.
[6]张向东，王群，盛超.黑龙江哈尔滨地铁盾构法施工地面变形规律分析[J].中国地质灾害与防治学报，2011，22（3）：113-118.
ZHANG D， WANG Q， SHENG C. Analysis on the law of ground deformation in the construction of subway shield in Harbin， Heilongjiang Province[J]. Chinese Journal of Geological Disasters and Prevention and Control， 2011， 22（3）：113-118.
[7]邵珠山，李晓照，陈福成，等.大跨软岩公路隧道围岩稳定性分析[J].地下空间与工程学报，2012，8（6）：1221-1227.
SHAO Z S， LI X Z， CHEN F C， et al. Stability analysis of surrounding rock of large span soft rock road tunnel[J]. Journal of Underground Space and Engineering， 2012， 8（6）：1221-1227.
[8]陈思阳. 大断面黄土隧道稳定性分析[D].兰州：兰州理工大学，2011.
CHEN S Y. Stability analysis of large section loess tunnel[D]. Lanzhou： Lanzhou University of Technology， 2011.
[9]NEJAD A. First and second tube of the Tauern tunnel[J]. Geomechanics and Tunnelling， 2010， 3（4）：334-343.
[10]蔡鹏麟.基于FLAC～（3D）的青岛地铁隧道开挖引起的地表沉降分析[D].长春：吉林大学，2015.
CAI P L. Surface settlement analysis of Qingdao metro tunnel excavation based on FLAC～（3D）[D]. Changchun： Jilin University， 2015.
[11]莫阳春，周晓军.达成高速铁路岩溶隧道围岩稳定性分析[J].中国铁道科学，2008（3）：52-57.
MO Y C， ZHOU X J. Stability analysis of surrounding rock in karst tunnel of high-speed railway[J]. China Railway Science， 2008（3）：52-57.
[12]張福龙，王丰仓，张小强.隧道浅埋段施工过程监测技术[J].岩土工程技术，2017，31（1）：26-31.
ZHANG F L， WANG F C， ZHANG X Q. Technology monitoring technology for shallow tunnel construction[J]. Geotechnical Engineering Technology， 2017， 31（1）：26-31.
[13]来弘鹏，谢永利，杨晓华.黄土公路隧道受力特性测试[J].长安大学学报（自然科学版），2005（6）：53-56.
LAI H P， XIE Y L， YANG X H. Testing of mechanical characteristics of loess highway tunnel[J]. Journal of Changan University （Natural Science Edition）， 2005（6）：53-56.
[14]钟兴. 公路隧道围岩参数反分析及动态施工力学数值实验研究[D].广州：华南理工大学，2010.
ZHONG Y. Back analysis of surrounding rock parameters of highway tunnel and numerical experimental study of dynamic construction mechanics[D]. Guangzhou： South China University of Technology， 2010.
[15]刘能铸.基于灰色理论的隧道围岩稳定性预测分析[D].重庆：重庆大学，2007.
LIU N Z. Prediction and analysis of tunnel surrounding rock stability based on grey theory[D]. Chongqing： Chongqing University， 2007.
[16]邓勇.双碑隧道富水段开挖渗流特征分析[D].重庆：重庆交通大学，2014.
DENG Y. Analysis of seepage characteristics of excavation in the water-rich section of Shuangbei Tunnel[D]. Chongqing： Chongqing Jiaotong University， 2014.
[17]安永林.结合邻近结构物变形控制的隧道施工风险评估研究[D].长沙：中南大学，2009.
AN Y L. Research on risk assessment of tunnel construction combined with deformation control of adjacent structures[D]. Changsha： Central South University， 2009
