复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降探讨

李学文

(中国铁建十六局集团第二工程有限公司,天津市 300162)

复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降探讨

李学文

(中国铁建十六局集团第二工程有限公司,天津市 300162)

随着现代城市化进程的不断加快,地下交通轨道网在城市交通建设中的比重不断加大。城市地铁隧道的建设必然会打破原来的地下岩土体的平衡状态,从而构建新的平衡,地表沉降将会是地下轨道交通网建设过程中必然面对的问题。针对复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降问题进行探讨,提出较为有效的解决办法。

复杂条件;城市地铁隧道;施工;地表沉降

1　城市交通建设现状

随着城市建设进程的加快及现代大都市的发展,城市交通紧张的状况以及长期拥堵的问题日益严重。在城市基础交通建设过程中,有轨交通占据较为有利的地位。在地下轨道交通网以及高架道路这两种城市有轨交通的建设过程中,逐渐发现高架道路会引起较大的不利影响,例如沿路噪声问题、周围地价贬值问题等。对比之下,地下轨道交通网的建设具有较大的优势。然而,在地下轨道交通网的建设过程中,主要面临了对原有地下岩土体稳定性的破坏,对新的稳定性以及平衡性的构建,在此过程中解决地表沉降问题是主要的技术难题「1-3]。

2　复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降相关问题

以某市某区的地铁站的隧道工程的建设施工为例。该工程位于两个街道的交叉路口,其工程沿中街东西向布置,车站计算站台中心里程为DK17+ 81.667，起讫桩号分别为DK17+880.567～DK18+ 13.8， 全长223.2 m。该地下车站为双层岛式,主体结构的跨度为22 m。有效站台的中心处地面高程为51 m,轨面深埋为28.25 m,顶拱覆土为8.57 m,底板埋深为26.50 m,隧道宽度为21.59 m。该工程地层表面所覆盖的土层十分松散软弱,具有不稳定性因素。在工程勘察中发现,在该工程范围内有多处地层表现为非原土状态,明显被扰动过。经过钻孔勘测,显示该地区的地层结构主要分为:晚更新统冲洪积相地层、冲洪积相地层、第四系全新人工堆积层,其土质状况为砾砂、粗砂、中砂、粉质黏土、素填土,围岩类别为I 类。场地地层自下而上分别为:可塑粉质黏土,中密-密实圆砾，礴中密-密实砾砂，可塑粉质黏土，中密-密实圆砾，中密-密实中、粗砂，中密-密实砾砂，稍密-中密中、粗砂，可塑粉质黏土，松散-密实杂填土。地层情况较为复杂「4-6]。

2.1隧道施工过程数值模拟技术研究

隧道施工过程数值模拟研究主要是针对工程施工过程中的技术难点通过相关的模拟软件,进行仿真模拟,选择最佳的可行方案。目前主要的应用软件有多种,国内主要采用的有2D-SIGMA、同济曙光、3D-SIGMA等「7]。这些软件具有一定的优势,同时也具有一定的缺陷,还处在不断的改进与发展过程中。在隧道施工的过程中需要利用数值模拟技术对隧道的支护过程以及开挖过程进行正确的模拟,研究支护的力学效果,进而分析隧道施工引起的地表沉降机理。利用混合法来进行隧道开挖模拟,加载计算分析有限元模型,形成对应的初始应力场,将其再读入到有限元模型中,经过技术处理后,将位移场值定为零,对施工过程及开挖模拟,得出实际的应力场以及位移场。图1为挖掘过程示意图。

可采用洞桩逆作法,先行在地下进行导洞暗挖,完成之后在导洞内施工架设刚性的拱顶纵梁、桩顶冠梁以及围护边桩。接下来进行车站顶拱的施工。这样,待扣拱完成之后,拱顶纵梁、桩顶冠梁以及围护边桩这三者将会构成一个拱、梁、桩撑框架体系,并具有承载性能良好、刚度大的特点。在这一稳定的体系下进行向下开挖工作,大大提高作业的安全性,可以有效限制结构外地层的侧向位移以及竖向位移,并有效控制地表沉降程度,减少对周围建筑的不利影响。

图1　挖掘过程示意图

2.2复杂群洞隧道问题

在地下隧道的建设与开挖过程中,地下群洞是一种比较复杂但常见的施工情况。这类施工对施工方案的选择具有较大的依赖性,在群洞的开挖过程中往往会出现地表沉降问题以及围岩应力重分布的问题,需要对危险的抗压以及抗剪、受拉作用进行计算分析,对开挖方案进行科学的选择,才能保持围岩整体的稳定性,减少地面沉降现象的发生。在隧道开挖施工过程中引起的地表沉降具有普遍性。具体表现为进行开挖卸载的工作中,开挖面土体向隧道内移动所引起的地表沉降、隧道支护结构变形所引起的地表沉降、支护结构背后的空隙闭合所引起的地表沉降、隧道结构因整体下沉所引起的地表沉降。

2.3隧道施工过程中渗流-应力耦合问题研究

在隧道施工过程中渗流-应力耦合问题对隧道排水、支护以及缝隙的填充等方面都具有较大的影响,因此,需要对这一问题进行正确的求解,从而对施工过程中降水与失水对地表沉降的影响进行研究。在含水地层中进行隧道施工,需要对土颗粒骨架之间的水分进行排除,这一措施直接会造成土体内部孔隙水压力变化以及渗透力作用造成的地表沉降现象。这一现象发生的原理是含水层内地下水位下降,导致土层内液压降低,增加了粒间应力(有效应力)。另外,在隧道施工的过程中,土体颗粒伴随着地下水而流失,同样也会造成地表沉降现象的发生。在隧道开挖的过程中,岩土体会受到较大的扰动作用,土体骨架在改变之后会出现持续的压缩变形现象,在土体变形的过程中会产生固结沉降的地表沉降现象。由于流塑性黏土以及软塑性黏土具有灵敏度与空隙比较大的特点,在这一类土体中发生的次固结沉降现象会持续多年以上。这属于一种典型地层的沉降现象,其总的沉降量的比例最高可达35%。这一地表沉降现象也是隧道开挖与使用过程中需要着重注意的。

3　控制地表沉降措施

(1)严格按照下导洞→上导洞→边导洞→中导洞的小导洞开挖顺序进行。下导洞超前上导洞10～20 m的范围,从而减少群洞效应。先施工的部分与围岩之间形成具有整体稳定性的受力体系,在后续施工的过程中,对先行施工结构以及围岩的影响将会大大的下降。

(2)在进行扣拱以及导洞的施工过程中,需要严格按照先加固后开挖顺序,并及时采用正确的支撑方式,采取小导管超前预注浆措施,保证改良地层的密实胶结性能。

(3)在施工过程中,减少围岩暴露时间以及暴露面积,实施快掘进、短进尺,注意混凝土的及时喷射,注意封闭成环的时间要尽早,尽量降低导洞对围岩的影响程度。

(4)在施工过程中,进行回填注浆时,首先需要注意检查回填注浆的质量,对土体间的孔隙以及初期支护进行及时填充,避免由于空隙的存在而引起地层变形。

(5)将部分开挖的措施应用于扣拱施工中,开挖中尽量保持较小的跨度;对小导管加密工作进行加强措施,从而保证对拱部土体注浆的质量;增加格栅钢架间距密度,使其符合施工要求;加快每循环尺的施工进度,促进施工周期的缩短。

(6)将计算机模拟预测以及现场监测技术应用到施工过程中,通过仿真模拟,对地表沉降进行有效控制。

4　结语

综上所述,基于地下交通轨道网在未来城市交通网建设中的发展优势,结合地下交通轨道网的建设特点,探讨复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降相关问题,主要包括隧道施工过程数值模拟技术研究、复杂群洞隧道问题、隧道施工过程中渗流-应力耦合问题研究。通过分析提出相关的结论以及具体的措施,严格控制小导洞的开挖顺序,正确进行扣拱以及导洞的施工。注意对围岩进行施工中的相关处理措施以及掘进方法,提高回填处理过程中回填注浆的质量,采取部分开挖的扣拱施工方式,并将计算机模拟预测以及现场监测技术应用到施工过程中,为复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降问题的解决提供行之有效的建议,促进城市交通的建设发展。

「1] 吴波，高波.复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降研究「J].中国铁道科学，2010 (6):129-131.

「2] 李涛，韩雪峰，黄华，等.深圳富水复合地层地铁隧道暗挖施工引起地表沉降规律的研究「J].现代隧道技术，2014(2):76-82.

「3] 周诚，周少东，林涛，等.城市地铁隧道区间浅埋暗挖施工地表沉降控制研究「J].施工技术，2011(10):70-74.

「4] 李金奎，王飞飞，白会人.浅埋暗挖地铁隧道施工地表沉降规律分析「J].武汉工程大学学报，2012 (10):58-61.

「5] 宋建，樊赟赟，霍延鹏.复杂条件下浅埋暗挖地铁车站施工地表沉降规律分析「J].现代隧道技术，2012，6(30):88-92,138.

「6] 郑保才，程文斌，胡国伟.浅埋暗挖法施工近接交叉地铁隧道地表沉降监测分析「J].铁道工程学报，2009(1):72-76.

「7] 张顶立，黄俊.地铁隧道施工拱顶下沉值的分析与预测「J].岩石力学与工程学报，2005(10):1703-1707.

U455

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1009-7716(2015)12-0199-02

2015-07-21

李学文(1973-)男,天津人,工程师,从事铁路工程施工管理工作。