土岩组合地层大断面浅埋暗挖施工变形分析

杨东仁，张欢，姚瑶

（上海勘察设计研究院（集团）有限公司青岛分公司，山东 青岛 266000）

1 引言

近年来，我国城市化进程不断加快，城市地面交通压力日益繁重， 城市地下隧道成为有效解决城市地面交通压力的有效途径。 而城市核心区域狭窄的作业面对隧道建设提出了更高要求，因此，越来越多的城市地下交通隧道采用浅埋暗挖方法进行施工[1]。

当前，对软土地层及软弱围岩地层隧道施工研究较多[2-4]，而典型土岩组合地层下，上层覆土厚度不均匀，土岩地层转换较快，浅埋暗挖施工引起的周边地表沉降变形与拱顶沉降、净空收敛变形情况尚未开展深入研究。 当前，常用浅埋暗挖施工引起变形的研究方法主要有解析法[5]和数值模拟法[6-7]。

2 工程概况

青岛市某地铁车站风道采用暗挖法施工，风道宽14.1 m，高15.6 m，所处地层为强、中、微风化花岗岩层，围岩等级为Ⅲ～Ⅳ级，风道处围岩等级为Ⅲ级，采用台阶法和拱部CD 法施工，与主体接口段采用拱部CD 法施工。

场区第四系厚度0.00～12.10 m，主要由第四系全新统人工填土层（）及上更新统洪冲积层（）粉质黏土层及砂土层组成。 场地地下水类型主要为基岩裂隙潜水，水量较丰富。

3 监测点布设与三维有限元模型建立

3.1 监测点布设

浅埋暗挖工程监测过程中，主要监测项目为地表沉降、拱顶沉降和净空收敛。 地表沉降点以断面中线为中心，梯次向两侧布设监测点，每断面共布设9 个地表沉降点。 于开挖完成断面中线拱顶位置布设拱顶沉降点， 两侧拱肩或拱腰位置布设一组净空收敛点。

3.2 三维有限元模型建立

对车站风井横通道台阶法施作段与CD 法施作段分别进行数值模拟，采用MIDAS-GTS 有限元分析软件，细化浅埋暗挖施工步骤，建立有限元模型，还原浅埋暗挖整个施工过程。

台阶法施作段开挖分步进行，开挖前设置超前锚杆支护，每施作一步，设置相应初期支护，全部开挖完成后施作二次衬砌，开挖步骤如表1 所示。 采用修正摩尔-库伦模型构建有限元分析模型，模拟各土层及围护结构。

表1 台阶法开挖步骤

4 地表沉降变形结果分析

4.1 地表沉降时间变形特性

台阶法施作段共设置8 个导洞，CD 法施作段设置4 个导洞，以浅埋暗挖施工各阶段为时间导向，通过实时跟踪两断面现场围岩开挖推进速度， 得到分步开挖各阶段地表沉降监测数据，与数值模拟结果进行对比分析，各阶段地表沉降最大值如图1 所示。

图1 台阶法浅埋暗挖各阶段最大地表沉降

对比分析可得台阶法与CD 法段最大地表沉降随着开挖进行不断增加， 拆除临时支撑施作二次衬砌前最大地表沉降达到最大值。 其中， 台阶法段实际监测得到最大地表沉降为5.63 mm，数值模拟结果为4.77 mm，台阶法上台阶上侧导洞开挖时，地表沉降变形幅度最大。 CD 法段实际监测得到最大地表沉降为6.82 mm，数值模拟结果为4.63 mm，CD 法左上导洞开挖时，地表沉降变形幅度最大。

台阶法上台阶上侧导洞与CD 法左上导洞开挖为首次进行爆破开挖，风道周边岩土体平衡状态被打破，周边岩土体向开挖的临空面释放载荷，进而导致地表发生较大沉降。 其中，由数值模拟与实际监测数据可得，CD 法浅埋暗挖段开挖完成，中隔壁拆除时，发生较为明显地表沉降。 CD 法施作时，中隔壁起到临时支撑作用，因此发生较大变形。

4.2 地表沉降空间变形特性

根据数值模拟结果，选择距离风道中线5 m、10 m、18 m、28 m 位置地表沉降模拟结果与实测数据进行对比分析， 得到对比分析结果如图2 所示。

图2 台阶法段地表沉降与距风道中线距离关系图

对比分析得到，现场实测数据与数值模拟结果非常接近，台阶法段与CD 法段均在风道中线位置， 地表沉降达到最大值，距离风道中线越远，地表沉降值梯次递减。 风道周边两侧地表沉降值关于风道中线呈轴对称，关系呈正态分布，从中线向两侧，地表沉降变形趋势逐渐递减，直至趋近于零。

Peck[8]基于大量实测数据，提出隧道施工引起的地表沉降呈正态分布， 并总结得到单线盾构横向地表沉降预测公式。将台阶法与CD 法段地表沉降与距风道中线距离关系曲线代入单线隧道开挖Peck 公式进行拟合。 台阶法与CD 法段地表沉降与距风道中线距离关系曲线与单线隧道开挖Peck 公式拟合效果良好， 浅埋暗挖施工地表沉降变形遵循Peck 公式。

5 拱顶沉降与净空收敛变形分析

选取浅埋暗挖各分步开挖阶段拱顶沉降与净空收敛实际监测数据，与数值模拟进行对比分析，台阶法段拱顶沉降数值模拟结果如图3 所示，各阶段最大值如图4 所示。 由数值模拟结果可得， 台阶法段与CD 法段拱顶沉降最大处位于拱顶位置，净空收敛最大处位于拱腰处。 其中，台阶法段数值模拟得到拱顶沉降最大为6.23 mm，实际监测为5.37 mm；净空收敛最大为1.31 mm，实际监测为2.17 mm。CD 法拱顶沉降最大为6.37 mm，实际监测为5.31 mm；净空收敛最大为2.48 mm，实际监测为1.04 mm。

图3 台阶法段拱顶沉降变形云图

图4 台阶法各阶段拱顶沉降与净空收敛最大值

台阶法段，上台阶上侧导洞开挖为首次进行爆破开挖，拱顶沉降与净空收敛变形幅度较大，导洞紧邻顶部岩土体，开挖拱顶沉降变形幅度最大。 上台阶左右两侧导洞开挖时，导洞部分紧邻顶部岩土体，拱顶沉降变形幅度较大。 中台阶与下台阶开挖时，导洞不接触顶部岩土体，拱顶沉降变形幅度较小。 台阶法开挖完成后，施作二次衬砌，此时周边岩土体荷载均施加至围护结构上，岩土体受力平衡，变形趋于稳定，拱顶沉降与净空收敛达到最大值。

CD 法施作段左上导洞开挖为首次进行爆破开挖此时拱顶沉降与净空收敛变形幅度最大，随着浅埋暗挖施工进行，拱顶沉降与净空收敛变形逐渐增大，临时支护用中隔壁拆除，二次衬砌施作后，岩土体受力平衡，变形趋于稳定，拱顶沉降与净空收敛达到最大值。

6 结论

通过对青岛市某地铁车站风道典型土岩组合大断面浅埋暗挖数值模拟结果与监测数据对比分析， 总结得到变形规律如下。

1）土岩组合地区上层覆土厚度较浅，围岩等级较高时，浅埋暗挖施工引起的地表沉降变形较小， 地表沉降随围岩爆破施工逐渐变大， 首个导洞进行开挖时， 地表沉降变形幅度最大，二次衬砌施作后，地表沉降达到最大值。

2）地表沉降在风道中线位置达到最大值，距离风道中线越远，地表沉降值梯次递减，浅埋暗挖地表沉降与距风道中线距离关系曲线服从单线隧道开挖Peck 公式。

3）土岩组合地层浅埋暗挖施工拱顶沉降与净空收敛变形较小，首个导洞开挖时拱顶沉降与净空收敛变形幅度较大，随着浅埋暗挖施工进行，变形逐渐增大，二次衬砌施作后达到最大值。