地铁隧道施工对地表沉降影响的优化控制探究

2021-04-14李卓

中国设备工程 2021年7期

李卓

（中铁二十局第三工程有限公司，重庆 400065）

地铁建设是21世纪城市地下空间开发的重点，其是缓解我国“城市综合征”的有效办法之一。地铁隧道工程施工是在岩土体内部进行的，不管其埋深时大时小，开挖施工一定会扰动地下岩土体，使其丧失初有的平衡状态，而朝着新的平衡状态转变。隧道开挖阶段，因地层物质被挖出，很容易形成施工沉降槽，其很容易引起地面沉降与塌陷问题，进而对道路路面、建筑物等造成不同程度的损伤，不利于工程建设，甚至对人们生命财产安全构成威胁。

1 隧道施工引起地表沉降的机理

从本质上分析，隧道挖掘的环境土层介质属于非连续介质，等同于土层处于移动状态中，存留在介质内的连贯性会被破坏，且不同单元之间初有的关联性也会发生一定改变，单元分离而运动。在含水地层内开展隧道施工活动，但土颗粒骨架间的水分逐渐被排出时，将会使土体内空隙水压力出现改变，地层会由于出现排水固结而有地表沉降的表现,业内针对这种地层因孔隙水压力波动与渗透力作用而出现的地面沉降问题，将其统一叫作固结地表沉降,其主要是因含水层内地下水位下降,土层内液压跌落，形成粒间应力，即有效应力增加的结果。隧道开挖阶段岩土体扰动以后，在较长的一段时间内，土体骨架会发生一定压缩变形，土体蠕变阶段形成的地表沉降问题被叫作次固结沉降。既往有研究发现，在空隙比与灵敏度相对较高的软塑于流塑性黏土内,次固结沉降通常会持续数年之久,通过分析经典地层的长期观测材料,其在总沉降量中所占比重高于35%。

2 编制动态优化控制策略

可以将地铁隧道项目开挖过程看成一个多阶段构成的决策问题，动态规划原理能较好地应对该类优化问题。假设某地铁隧道工程施工的初步设计方案是：{G0(1)、G0(2)、…G0(k)，…，G0(N)}，参照动态规划最优化原理,将最后一个步骤作为着手点优化初有施工方案。

2.1 方案设计

（1）最后一步骤。设εN是最后可以接受的环境目标限定值，通常其取值是0.1，对工程施工方案G0(N)进行数次整改后，有①式：

2.2 施工阶段

参照如上论述的方案，在地铁隧道项目有具体施工阶段，实测到的地表沉降值可能和预测值之间存在一定偏差，这就很可能造成初有的优化控制方案不满足现实环境要求。因此，在施工阶段，若能依照现场反馈的信息，尽早整改初由优化施工方案后期的施工技术方法，方能更好地实现动态优化控制，如果已经第k阶段施工结束后，在工程场区测量得到的现实地表沉降最大值是W’（k）,采用动态规划原理对隧道施工方案的第k+1步到最末一步进行调整。具体采用的优化控制方法和设计时段等同，唯一的不同是新方案的最末一步是原来的第k+1步，因第i步实测值和预测值间存在一定差异，那么，在这样的工况下第k+1步滞后各步的状态均会出现不同程度变化，递推关系式如下：

3 工程实践

已知某三连拱隧道工程处于地表之下16.6m,从上至下可地层细化为五层。因地表建筑物耸立且密集化分布,地下管线部署错综复杂,因此，隧道施工对周边环境提出较严格的要求，地表沉降最大值≤30mm。外加本隧道工程跨度相对较大（20m左右），围岩条件整体偏差,施工开挖时不仅要确保围岩结构的相对稳定性,还要满足周边环境提出的高标准、高要求。综合分析多种因素，拟定选择最优的施工方案及策略，这是取得最理想化施工成效的重要基础。在项目正式开工前，制定了图1所示的备选建设方案，能够推导出与之相对应的方案相应矩阵是：

{G0(i，k)，i=1～3,k=1～11}

式中，i为施工方案，k为施工工序。为满足终极控制目标W*，先在图1响应矩阵G(i,k)内,基于数值仿真模拟并参照工期T＊、造价V＊,采用如下目标函数实现对施工方案的优化处理：Ji=CW[W*-W(i)]+CT[T＊-T(i)]+CV[V＊-V(i)]

式中，CW、CT、CV均是加权值，经比对分析后，最后选用了方案1，把G(1,k)作为本项目的建设方案，并勾画方案1的响应矩阵。