城市浅埋暗挖大断面矩形隧道施工地表沉降技术研究

【摘要】本文对长春市地铁2号线东方广场-长青站工程项目运用了数值模拟和现场检测的方法研究了浅埋暗挖大断面矩形隧道施工技术方法，结果显示：不同的施工阶段地表的沉降变形量存在着较大的差异，中间的导动开挖对于地表沉降的影响也比较大，大约占地表最终的沉降量的43%。隧道封闭成环之后再拆除支撑可以有效的减少对于地表沉降的影响;对于拱顶土体采取了深孔注浆、径向注浆等加固措施;可以有效地增加上部土体强度，减少底层的变形。

【关键词】隧道;数值分析;深孔注浆

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.30.

经济建设的发展使城市人口的规模不断地增加，这也让地面交通的安全出现了隐患。地铁建设也成为了各大城市中需要解决的重要交通问题，在地下空间的整个开发过程中，浅埋暗挖的方法得到了广泛的运用，它不仅可以适应各种断面与型式，且还不会对城市交通造成影响。在城市环境下对地铁隧道进行施工需要严格控制地表的变形，尤其是对于暗挖大断面施工的地铁隧道，主要因为埋深浅，断面大，施工步骤比较多，地表的变形显得更加的困难。所以，研究浅埋暗挖大断面区间隧道施工中的地表沉降规律和分析其主要形成原因，对于指导浅埋暗挖大断面矩形隧道的设计和施工有着重要的意义。

在我国的地铁建设中，相关学者对不同的城市底层、环境的情况进行了较多研究。长春地铁区间隧道主要穿过了无水粉细砂、中粗砂层，属于一种典型的力学不稳定底层。针对长春2号线东方广场-长青站隧道施工为背景，通过建立三维数值计算模型，对大断面隧道施工引起的地表沉降等规律进行了研究，结合现场监测资料，分析出引起沉降的各项因素，提出了控制措施，并为后续浅埋深挖大断面施工提供了有利参考。

1、工程概况

长春2号线地铁东方广场-长青站区间沿吉林快速路敷设，区间线路起始里程为K20+700.950，终止里程为K21+760.700，区间总长度1059.75m。采用双线单洞大断面，区间开挖宽度12m，高度9.735m，拱顶覆土约10.3～12.2m，区间拱顶土层主要为粉细砂、黄土状粉质粘土，区间主要穿越土层为粉细砂、中粗砂。区间里程K20+700.950-K21+492.950、K21+525.850-K21+760.700采用双侧壁导坑法施工标准断面。

2、数值分析模型建立

2.1模型尺寸及网格划分

隧道穿越土层为无水砂层，而地下水又位于隧道底板以下，所以不考虑地下水的影响。对三维有限差的模拟计算考虑到尺寸效应所带来的计算误差，范围取左右边界4倍断面宽度，下边界4倍断面高度，上边界到地面取纵向30m，模型宽高为长30m宽70m高42m，如图1所示，模型的底部进行加固约束，四周的边界施加水平约束，顶面使自由面。

2.2计算参数选取

模型中的土体采用弹塑性本构模型准则;初支、二衬也都采用了弹性本构关系。提高土体力学参数的方法进行超前小导管注浆加固区内土体来进行模拟。参数如表1所示

在本工程中，小导管的外插角为10°采用的梁单元模拟，长度为2m，小导管的管径也可以通过改变两单元的横截面积、y轴和z轴惯性矩来进行设置。小导管的间距设置可以用fish语言來进行得到实现，在加固范围内所有小导管一次打设完毕。

超前小导管注浆加固区以及支护结构参数取值如表2所示。

2.3双侧壁导坑施工过程模拟

双侧壁导坑法在本工程中分6个导洞来进行开挖如图2所示，并且按照施工工艺分为10个步骤进行模拟。①先打设导洞1、2超前小导管，再预留核心土进行开挖上台阶，并且实施初期支护以及临时支撑;②开挖下台阶，实施初期支护以及临时支撑;③开挖导洞3/4，并且实施初期支护以及临时支撑;④打设导洞5的超前小导管，并且预留核心土开挖导洞上台阶，并实施初期支护;⑤对导洞5进行下台阶开挖，实施初期支护以及临时支撑;⑥开挖导洞6，并且实施初期支护;⑦对下部临时支撑截断;⑧对浇筑地板和两侧墙二衬，顶紧临时支撑;⑨对剩余临时支撑进行破除⑩浇筑剩余的二衬结构，并且形成封闭的二衬。

3、数值计算结果分析

3.1地表沉降特征分析

对施工后的稳定地层变形和下沉情况进行监测，变形云图如图3所示。

对于各个施工阶段完成后的地表沉降曲线如图4所示，通过对数值计算模型中间的断面沉降结果进行分析得出。

由此可以看出地表的沉降曲线呈现“V”字形，不同的施工阶段显示出地表沉降的增加量存在着很大的差异。由于导洞1和2的施工，地层受到了扰动，地表最大沉降量为4.1mm。之后在导洞3和4中可以看到最大沉量累积增加到了10.3mm，大约占最终沉降量的39.0%。在导洞5和6开挖之后，地表的最大沉积量也累积增加到了11.4mm，大约占最终沉积量的43.2%。在隧道封闭成环之后，拆除临时支撑，拆除之后地表的最大沉寂降仅增加了2.3mm，地表的最终沉积则降为26.4mm。由此可见不同施工阶段所形成了地表沉降变形量有着较大的差异。中间导洞开挖对于地表沉降的影响也比较大。隧道在封闭成环之后再拆除支撑可以有效地减少对地表沉降的影响。

3.2 围岩塑性区特征分析

如图5所示塑性区的发展可以看出，施工完成之后的稳定断面沿着两个隧道拱脚方向发展，土体均处于剪切状态，但是隧道上方的塑性区并未贯通，表明了上方土体注浆加固之后，有效地控制上方土体的变形，并且限制了塑性区的发展，对于地表沉降的控制也发挥了重要作用。

4、实测结果分析

4.1 现场检测沉降规律

图6所示为隧道上不地表设置测线，测线长36m，设有9个测点。在施工的过程中，对于地表测线需要持续的进行监测，监测地表下沉曲线图如图8所示。

区间隧道的实际施工会引发沉降量比数值模拟计算出的沉降量会大，这也是因为数值计算模拟的工况回避现场施工的工况理想，但是实际的施工中各个工序之间的衔接会存在着时差，在整体初期支护结构上没有得到及时的封闭成环，上台阶顶拱拱脚悬空的时间过长导致的。所以短进尺、及时架设仰拱而使机构封闭成环还可以有效地减少地表的沉降。

4.2 控制措施

在倒空开挖以及衬砌的施工过程中会产生地表沉降，为了保护地标建筑物的安全，根据数值模拟结果，在施工过程中应采用以下措施：

（1）对上部导洞开挖之前，对于开挖浅埋的土体进行小导管超前预注浆，并执行“先固后挖”原则，以使得土层密实胶结，使地层优良。

（2）对于拱顶土体进行深孔的注浆，增加土地的强度，拆除临时支撑之后的作业时间，可以尽早地使衬砌封闭成环，已达到拱顶和地表下沉。

（3）对导洞5和6的拱脚位置进行深孔注浆，这样有助于提高土体的强度，控制塑性区的发展。

（4）加强现场检测，对施工过程坚持信息化施工，可以及时反馈施工效果，随时调整技术措施，控制地层的变形和发展。

结语：

通过长春2号线东环城路到长青站区间浅埋暗挖大断面区间隧道施工的进行数值模拟计算，结合现场的检测结果，对施工中地表沉降进行如下的结论：

（1）地表实际沉量大于数值模拟的结果，说明实际施工严格控制工序之间的衔接，封闭成环，这样可以有效地减少地表变形。

（2）根据数值可以看出，在施工的同阶段，地表中沉量存在很大的差异，中间导洞开挖对地表沉降的影响较大，大约占地表沉降量的43%，隧道封闭成环之后再拆除支撑，有效地减少对地表沉降的影响，施工要注意尽早地封闭成环

（3）通过对拱顶土体进行深孔注浆，增加土体的强度以及缩短拆除临时支撑后的操作时间等措施，这样能有效地控制地表沉降变形。

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作者简介：

李嘉兴 （1984.06-），男，陕西省西安市人，汉族，大学本科学历，北京市海淀区中电建路桥集团有限公司。