地铁隧道施工引起地层位移空间特征研究 摘 要 运用数值分析方法研究浅埋地铁隧道暗挖施工引起地层变形的空间特征,特别是隧道变形的空间特征。研究表明只有正确认识了隧道收敛变形、预收敛变形和掌子面挤压变形之间相互关联,才能够正确认识到引起隧道整个变形过程的真正诱因。 关键词 浅埋隧道 收敛变形 挤压变形 预收敛变形 核心土体 1 引言 基于位移控制的隧道设计与施工方法是未来城市浅埋暗挖隧道设计与施工的发展方向之一,认识隧道变形的空间特征以及其表现形式的相互关联是发展新的隧道设计与施工理念的基础。本文以数值方法作为试验手段,对土质浅埋隧道施工引起地层位移进行研究。 2 数值模型简介 北京地铁五号线和平西桥站—北土城东路站的区间隧道采用浅埋暗挖理论进行设计与施工, A型标准断面是以上下台阶法开挖,并保留核心土,在隧道拱部135°范围内进行小导管注浆超前支护。模拟隧道尺寸取区间隧道A型标准断面尺寸: 6.00 m×6.43 m,考虑隧道埋深为9.00m。数值模型仅仅考虑了单条隧道,隧道纵向取50.00 m,横向考虑了72.00 m,地层深度39.43 m。 计算采用美国Itasca公司开发的有限差分软件FLAC3D。有限差分模型见图1,共66 800个单元,71 604个节点。监测了地表沉降、隧道拱顶沉降、仰拱底鼓位移、拱腰水平位移、掌子面以及其前方核心土体的挤压变形。模拟隧道纵向25 m处掌子面内外监测点布置见图2。数值计算的步骤为:全断面开挖进尺1 m并计算,施加初期支护并进行下1 m开挖,仰拱施加落后施工掌子面4 m,并以2 m一次性施加仰拱,即仰拱离施工掌子面的最小距离为2 m。掌子面前方核心土一次性加固10 m,并留最小加固厚度5m。地层力学参数及掌子面前方核心土体加固的力学参数见表1。
3 隧道变形空间特征
在初始地应力场的条件下地层处于稳定平衡状态,由于隧道施工导致地层缺失而引起地层位移,在地表主要表现为地面开裂、地面沉降和沉陷槽,在隧道周围主要表现为隧道收敛变形、预收敛变形和掌子面挤压变形,如图3所示。
隧道收敛变形是隧道开挖释放了地应力使隧道开挖轮廓向隧道内发展的结果,其主要表现形式有:拱顶沉降、仰拱底鼓和拱腰水平收敛。图4~图6是模拟隧道施工到25 m处隧道收敛变形的空间分布。隧道预收敛变形是隧道开挖掌子面前方的隧道开挖理论轮廓的收敛变形。从图4~图6可知,拱顶预收敛变形主要在掌子面前方7 m范围内,仰拱收敛变形主要在掌子面前方5 m范围内,拱腰的收敛变形相对很小。
掌子面挤压变形是由于掌子面后方土体开挖形成了临空面,释放了掌子面土体原有的水平地应力,从而使掌子面及前方土体发生沿隧道纵向的水平位移。图7、图8反映了模拟隧道纵向25m处掌子面的挤压变形情况,表明整个施工掌子面都产生了一定的挤压变形,从挤压变形在掌子面内分布看,在水平方向挤压变形是以隧道中线为对称轴,呈抛物线形;在竖直方向挤压变形不具有抛物线形,最大值出现在临近隧道底部。通过对比隧道掌子面内外土体的挤压变形,表明挤压变形主要发生在掌子面内。图9是模拟隧道纵向15 m处掌子面以及其前方核心土体的挤压变形的分布,可知挤压变形主要发生在掌子面前方4 m核心土体内。[1][2]下一页
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4 掌子面的稳定性与地层位移
从图7~图9可见,隧道施工掌子面前方核心土体加固,提高了核心土体的刚度,从而极大地减小了掌子面及其前方核心土体的挤压变形。表2是隧道纵向25 m处前方核心土体在加固与不加固的情况下,隧道变形和地表沉降量的对比,表明前方核心土体刚度增大能够减小隧道的预收敛变形,也能减小隧道拱顶沉降量,但是隧道仰拱底鼓位移增大,这与仰拱施加时间有关系。
图10、图11显示了掌子面前方核心土体加固效果与隧道周围塑性区发育的对比,表明在掌子面前方核心土体在没有加固的条件下隧道全断面施工导致掌子面的不稳定,这种不稳定增加了隧道变形和地层位移,而施工掌子面前方核心土体的加固有利于保持掌子面的稳定,减小隧道收敛变形和地层位移,也可以简化隧道施工方法,如隧道台阶法开挖转变为全断面开挖。
5结论
(1)隧道施工引起地层位移响应是一个空间体系,隧道变形可分为收敛变形、预收敛变形和掌子面挤压变形。收敛变形一部分是由掌子面前方核心土体变形所引起的,因此,调控掌子面前方核心土体的刚度能够减小收敛变形。
(2)核心土体的变形主要表现为隧道预收敛变形、掌子面及核心土体内部的挤压变形。控制核心土体变形也就控制了隧道施工掌子面的稳定性,从而减小了隧道收敛变形和地层位移。
(3)由意大利Lunardi等工程师提出并发展的岩土控制变形工法(ADECO-RS)是以隧道施工掌子面及其前方核心土体作为稳定工具,认为核心土体的变形是隧道整个变形过程的真正诱因[1], [2]。但数值模拟的结果显示了核心土体的变形并不是隧道整个变形过程的唯一诱因,即控制核心土体的挤压变形和隧道预收敛变形,并不能从根本上控制隧道的收敛变形。隧道收敛变形的真正原因是隧道开挖轮廓面地应力的释放,如何使应力“拱效应”均匀分布在隧道周围,才是控制隧道收敛变形的正确有效途径。
参考文献:
[1] Lunard,i P.“Design and constructing tunnels—ADECO-RS approach.”[J] Tunnels&Tunnelling International special supplemen,t May 2000.
[2] Lunard,i P.“The design and construction of tunnels using the approachbased on the analysis of controlled deformation in rocks and soils.”[OL]T&T InternationalADECO-RSApproach, May.
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