大跨隧道拱盖法施工地层沉降分析

杜子建

(青岛地铁集团有限公司，山东青岛 266071)

大跨隧道拱盖法施工地层沉降分析

杜子建

(青岛地铁集团有限公司，山东青岛 266071)

针对“上软下硬”地层中大跨隧道拱盖法施工的地层沉降问题，选取某地铁车站的典型剖面，建立二维分步开挖模型，通过分步开挖全过程的数值分析，得到拱盖法不同施工步序下的沉降值，推断控制重要环节为中导洞开挖、拆撑和拱盖施作、侧导洞开挖。对重要工序下地表沉降监测值进行对比分析，进一步对各阶段沉降比重进行验证，并分析两者发生偏差的原因并提出相应对策。

大跨隧道;数值分析;拱盖法;地层沉降

山东省青岛市地处胶东半岛西南部，地基多为燕山晚期岩浆岩类硬质岩石，后期由于风化作用，在花岗岩上部形成了一定厚度的风化带，其上部还沉积有厚度不均的第四纪松散堆积物，是典型的“上软下硬”地质类型。青岛地铁许多暗挖车站就位于这种“上软下硬”的地层中，即上部地层为松散土及强风化岩，下部地层为中～微风化岩层，硬岩面埋深13～20 m。在此种地层中开挖大跨隧道，由于要采用爆破作为主要开挖手段，采用常规的CRD法和PBA法均具有一定的局限性［1－8］。

拱盖法作为一种无柱单拱大跨断面的开挖方法，是基于地铁车站盖挖法和扣拱法两种工艺的结合，能较好地针对青岛地区地层“上软下硬”的地质特点，首先强支护开挖上拱，将边墙置于坚硬中～微风化花岗岩层中，充分利用硬岩层对拱体的支撑作用，既节约了成本，在大拱盖形成以后，还能在洞内进行下部岩体的大型机械和大面积开挖作业，加快了进度，是“上软下硬”地层中开挖的适宜性工法［9］。拱盖法施工涉及到多步工序，每道工序都会对地层产生一定扰动并造成地层沉降。目前的施工沉降分析和控制指标中，往往只提出了最终沉降量控制指标，对每道工序引起的沉降量并没有明确提出控制要求，也没有相应的预警值，造成了施工过程每个步序中沉降控制的随意性和盲目性［10－12］。所以，对大跨隧道拱盖法施工这个动态并逐步累积的沉降过程进行分析，并将总沉降控制量按不同工序的重要性赋予每个阶段，是目前大跨隧道工程中值得探讨的问题。

1 工程概况

青岛地铁某车站全长176.9 m，为地下两层暗挖结构岛式车站，拱顶覆土厚度为10～12m，采用单拱直墙拱盖法开挖，开挖跨度19.2m，高度16.2m，车站平面布置见图1。站址范围内上部土层为第①层人工填土、冲洪积层，第○11层粉质黏土、第○12层含砂黏性土，无软土和砂层分布，下伏基岩为燕山晚期花岗岩，强风化下亚带岩面埋藏深度变化不大，风化厚度为1.00～7.20m，平均层厚为3.7m，车站单拱拱角基本位于中风化岩层中，车站底板全部位于微风化花岗岩层上。车站地层富水性一般，透水性较差，主要为松散层孔隙水和基岩裂隙水，地下水位埋深为4.8～13.6m。车站平面见图1，车站典型地质纵剖面如图2所示。

图1 车站平面

图2 车站地质纵剖面

车站采用的支护形式为:掌子面拱部超前打设3.5 m长φ42mm注浆小导管，开挖后拱部垂直打设φ25mm中空注浆锚杆，侧墙垂直打设4.0m长φ25mm砂浆锚杆，支撑采用75 cm间距钢格栅，双层φ8mm钢筋网，30 cm厚喷射混凝土，侧壁临时支护采用型钢支撑，喷射混凝土;二次衬砌结构采用45 cm厚浇筑钢筋混凝土。施工过程中未降水，采取了严堵水的方案，并结合一定的超前钢花管引排水措施，保证局部渗漏严重工作面的稳定。开挖支护方案如图3所示。

车站主体位于市主干道下方，车站范围内与2条支路交汇，交通流量大，并有市政管线从路下方通过，周边无高大建筑物。根据隧道覆跨比较小和周边环境等特点，并综合考虑了隧道结构本身的稳定，以及上方市政管线的安全和道路车辆的正常通行等多方因素，经审定制定地面变形和沉降总控制标准为:地表总沉降量控制在45 mm以内，地面隆起量控制在20 mm以内。

图3 车站拱盖法施工支护方案(单位:mm)

2 开挖模拟分析

分析模型宽度选择为5倍车站宽度，高度选择为2.5倍车站高度，即为96m×40.5m，左右边界距隧道边界为2倍洞径，下边界距隧道底为1倍洞径，以保证模型边界约束不影响车站隧道的开挖计算，边界采用位移进行约束。初支方案中对车站拱部设置有超前注浆小导管和中空注浆锚管等多种措施，计算中对加固区的岩体力学参数进行了等效处理。根据相关地质勘察报告和经验计算，岩土体及加固区的工程力学参数见表1。

表1 岩土体工程力学参数

车站拱盖法施工步序为:(1)施作一侧导洞并支护;(2)施作另一侧导洞并支护;(3)施作中导洞并支护;(4)施作纵托梁;(5)拆除临时中支撑并施作拱盖结构;(6)放坡开挖下部硬质岩体并支护;(7)完全开挖下部岩体;(8)完成整体二衬施作。采用MIDAS/GTS建立分步开挖模型，依据修正摩尔－库伦本构模型得到开挖工序下跨中地表观测点的累计沉降值及分步沉降占比，见表2。图4为模型在不同工序下的沉降分析云图。

图4 分步开挖模型分析位移云图

表2 跨中地表沉降分析

从表2中可以看出，跨中地表沉降在中导洞开挖时沉降占比最大，为31.8%;施作拱盖结构时临时支撑的拆除引起沉降值其次，为28.1%;左右侧导洞开挖时造成跨中地表沉降值合计8.3 mm，合计占比为22.1%，此时侧洞正上方地表沉降值最大达到了11.3 mm。通过数值计算，说明在施工环节中，中导洞的开挖、拆撑和拱盖施作、侧导洞的开挖均为重要工序。在实际施工中，需要在以上工序上严格要求，加强施工组织，落实施工方案，对不良地质情况及时预警，并需针对性采取加强技术措施。

3 沉降监测及对比分析

结合施工现场和路面交通情况，选取里程K3+741.1的横断面监测数据进行分析，由于路面监测点位受到车况及其他情况的限制，每点布设间距取5m，共布设7点，得到的横断面地表沉降监测变化时距曲线见图5，最终地表沉降槽曲线见图6。

图5 地表沉降监测点累计变化时距曲线

图6 地表沉降槽曲线示意

从监测图中可以看出，在隧道开挖过程中，地表最大沉降点随着不同导洞的开挖而不同，在左右导洞开挖时最大沉降点交替出现在左右导洞上方，在中导洞开挖时最大沉降点逐步转变为中导洞正上方，最终地表沉降最大点出现于隧体中线上方，与模型分析基本一致，且监测同样反映出沉降速率较大的时段正好对应于导洞的开挖以及拆撑施作拱盖等关键工序，在各工序的重复扰动下，地表沉降曲线较多呈现阶梯下降形态。根据不同时期的监测值发现，在中导洞开挖过程中，车站主体上方的沉降点出现了较大速率的下降，且持续时间较长，同时主体边界外的地表沉降点均出现了不同幅度长时间的沉降，说明中导洞开挖对车站上方的地层扰动较大，引起了较大范围的地层沉降;在拱盖施作和开挖下断面过程中，车站正上方地表沉降受到较大影响，但偏离隧道主体以外的地表沉降速率已明显变缓，表明此阶段隧体边界外地层受到的影响较小。

累计沉降最大值监测点在不同步序下的沉降值及其量值占比关系见表3。从表中对应得到，中导洞开挖引起的沉降值最大，占总沉降量百分比为52.6%;其次为拱盖施作及拆撑过程引起的沉降值，占总沉降量百分比为16.1%;另外，左右侧上导洞的开挖累计造成的沉降值也较大，总占比为25.2%。

对比分析各阶段模型计算结果可以得到，两者分析得到关键工序重要程度基本一致，但施工监测得到的中导洞开挖造成沉降值偏大，拆撑做拱阶段沉降贡献值相对较小，最终跨中地表累计沉降值较模拟值偏大。分析原因，可能在于数值计算是基于各施工工序无缝衔接的理想状态，而实际施工过程中，由于机械设备人员以及施工组织等不确定原因造成了支护时间的不及时以及工序转换时支护及时性和有效性的降低，引起了不可计算的沉降值。另外，施工过程中，针对模拟分析中拆撑做拱阶段沉降值较大的情况，各有关方面及时对原设计进行了一定调整，采取了“以锚代撑”的技术，即拆撑之前在钢格栅连接处打设胀壳式锚杆，施加一定预应力以取代一部分支撑作用力，实践证明效果较好，并最终将累计沉降值控制在指标范围内。综合分析，在多导洞开挖的大跨隧道中，合理优化导洞的开挖顺序及开挖错距，有效组织各工序的无缝衔接，并及时对暴露工作面进行支护和封闭，并针对重要环节及时采取加强措施，是减少地层沉降的有效手段。通过数值模拟分析，可以得到围岩开挖扰动下地表沉降的一定规律，对于区分较重要的施作工序具有一定指导意义。在实际施工中，还需根据监测结果将不同阶段的沉降值重新反馈到计算模型中，及时修正阶段结果，并进行一定的反演计算来指导后续施工［13］。

表3 分步沉降监测值

4 结论

本文主要探讨了地铁车站拱盖法施工不同工序下的地表沉降值，对不同工序的沉降影响重要性进行综合判断，并比较理论计算与实际监测值共性与差异性，得出如下结论。

(1)大跨隧道暗挖施工涉及到多步序、多环节的衔接与转换，工序较为复杂，特别是城市地铁车站的开挖，施工风险较高，严格控制地层及地面沉降尤为重要。

(2)拱盖法工艺能较好适用在“上软下硬”地层中的大跨隧道开挖施工，针对不同工序下地表沉降值的模拟和监测分析，及时对关键工序进行确认并采取针对性措施，能有效实现总沉降控制目标。

(3)拱盖法施工工序中，中导洞开挖和拆除上部导洞临时中隔墙均为关键工序，施工中应严格控制开挖进尺，及时封闭成环，并尽量合理安排二衬施工时的每仓长度，以控制破除临时中隔墙范围。另外，及时根据监测值重新反演计算模型，并针对重要施工环节采取一定加强措施，可有效减小施工中的地层沉降。

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Analysis on Ground Settlement during Construction of Large-span Tunnelw ith Arch Cover M ethod

DU Zi-jian

(Qingdao Metro Group Co．，Ltd．，Qingdao 266071，China)

Focusing on the problem of ground settlement during construction of large-span tunnel by arch covermethod in the strata where the upper rock soil is soft and the lower rock soil is rigid，the paper established a two-dimensionalmodel of multi-step excavation of the typical sections of a certain metro station．And then，by means of numerical analysis on the whole process of multi-step excavation，the settlement values with arch cover method under several construction procedures were obtained．On this basis，the paper suggested that the key procedures which should be under control were the excavation of middle pilot heading，the removal of temporary support，the erection of arch cover，and the excavation of lateral pilotheading．Furthermore，comparative analysis on ground settlement of key procedureswasmade in this paper，and the settlement proportion of every procedure was verified further．After analyzing the probable reason for the difference between monitoring value and simulation value，the corresponding countermeasureswere proposed．

large-span tunnel;numerical analysis;arch covermethod;ground settlement

U455

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．026

1004－2954(2014)03－0110－04

2013－05－18;

2013－07－25

杜子建(1983—)，男，工程师，工学博士，E-mail:duzj1127@126．com。