软岩层隧道开挖地表沉降分析

(华北科技学院 河北 廊坊 065201)

一、引言

近年来,我国城市轨道交通行业发展迅速，截至2018年初，我国内地已有32个城市开通运营城市轨道交通，运营总里程超过4000公里；预计到2020年末，全国城市轨道交通运营总里程将超过7000公里。现在已开工建设轨道交通的有53个城市，规划建设规模超过9000公里，在建规模约5770公里，北京、上海、广州等大城市已跨入城市轨道交通网络化运营的时代。北京地铁在“十三五”期间将新建西郊线、S1线、燕房线、17号线、7号线东延、19号线、新机场线等线路，北京已建成世界第二大轨道交通系统。本文通过对比开挖及支护顺序对地面沉降进行分析，由此可为类似隧道工程的沉降预测及环境安全控制提供参考，同时对丰富同类工程案例、完善隧道设计理论具有重要意义。

二、工程概况

某工况断裂以南构造区，处于三水断陷盆地东延部分，主体构造走向是东西向，其次是北西向，由中生界白垩系构成的东西向比较宽阔的褶皱和志留系及喜马拉雅期形成的一系列北西向断层所组成，是继承性构造。分布较大厚度的软土，其物理力学性能差-较差，具有强度较低、压缩性较高等特点，在上部荷载或震动作用下易产生固结变形、震陷，引起地面沉降，导致路面、房屋开裂等地质灾害。

第四系以人工填土、海陆交互相淤泥、淤泥质土及砂层、粘土层和残积土为主。软土呈层状分布，砂层一般含有粘粒，颗粒级配不均，松散～稍密为主，为轻微～中等液化土层，透水性中等。海陆交互相粘土和残积土一般为可塑至硬塑状态，为微透水层。下伏基岩为第三系碎屑岩、元古界混合花岗岩、志留系花岗岩，各风化带均有揭露，裂隙稍发育。第四系覆盖层厚，软土较发育，砂土有液化趋势。属岩土工程条件复杂地段。粉质粘土—主要为粉质粘土，局部为粘土、粉土，主要由粉粘粒组成，含少量砂粒和粉粒。以可塑状为主，稍见软塑状，干强度及韧性中等。本层层厚0.80～3.40m，承载力特征值为140～180kPa。中粗砂层—本层含少量黏粒，稍密-中密，本层层厚0.70～10.30m。承载力特征值为150～200kPa。

模型上覆岩层为黏土层，厚度3米，隧道在砂岩层，厚度12米。隧道中心距地表10米。施工前对拟定的方案进行数值模拟分析，若施工方案不满足地表沉降小于30mm的要求，需要超前深孔注浆的方式对地层进行加固。

三、数值模型及方案

采用FLAC3D有限差分法求解非常适合模拟非线性问题和大变形问题。假定岩土是均匀多孔介质，采用摩尔库伦本构模型，具体材料参数详见表1。不考虑土体蠕变效应。模型上层3米为黏土，下层为砂岩，砂土层12m厚。模型四个侧面及表面限制位移和速度，地表为自由面。

表1 土层物理参数

数值模拟中,岩土体在自重和附加荷载作用下固结沉降,达到平衡,首先进行既有隧道开挖,得到初始地应力,而后进行新建隧道盾构穿越施工模拟。对于新建隧道盾构施工过程的动态模拟,用改变单元材料的方法来反映盾构的向前推进,被开挖的单元用刚度极小的单元代替,而对应于盾壳、管片及注浆材料的位置分别将单元刚度用钢、管片和浆液的刚度替换。

四、计算结果分析

(一)隧道开挖沉降

隧道开挖进尺为1.2米，隧道开挖围岩等级为VI，衬砌厚度0.5米，第一次开挖后，隧道侧边和顶板沉降曲线如图1、图2所示

图1 隧道顶板位移

图2 隧道侧边位移

(二)既有隧道衬砌应力

采用衬砌混凝土衬砌，衬砌0.5m，一般形变在掌子面的3-5倍范围内，隧道横断面上的衬砌竖直位移最大值仅为10.7mm而变形更小,因此隧道衬砌在环向和径向的应力变化量很小。隧道以纵向沉降变形为主,且为不均匀沉降,使既有隧道纵向上产生较大曲率变形,因而隧道纵向的正应力变化较大，见图3-5。

图3 衬砌后隧道沉降

图4 衬砌节点形变

图5 衬砌单元应力

五、结论

(1)本文对软岩中隧道开挖进尺进行了分析，在隧道中开挖进尺过大容易发生坍塌，应进行注浆加固。结果表明，开挖进尺对地面沉降的影响显著，总体看支护结构能有效减小水平位移量、地表的竖向沉降。

(2)改变进尺掘进时，需要及时进行支护，利用有限元模拟软件lac3d对隧道开挖进行模拟，变形模拟结果说明，出于安全考虑，该土质不适于全断面开挖，应以台阶法效果更好。支护体系在控制顶板变形方面效果十分明显，完全满足沉降要求。