隧道开挖对地表沉降的影响分析.pdf

第3 2 卷 2 0 1 2 年0 8 月 矿冶工程 M I N I N GA N I lM E T A L L U l l G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 2 A u g u s t2 0 1 2 隧道开挖对地表沉降的影响分析① 张蓓 上海建峰职业技术学院，上海2 0 1 9 0 0 摘要针对实际隧道开挖过程，采用数值模拟的方法，对影响地表沉降的多个因素进行了显著性分析，同时对隧道开挖和加固措 施对地表沉降的影响进行了定量分析，分析结论可供设计、施工参考。 关键词隧道；地表沉降；数值仿真；支护方法 中图分类号T U 4 3 3文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 8 0 5 0 4 0 4 隧道开挖不可避免的使土体受到扰动，引起地表 沉降，在已有建筑物密集的城市地区开挖隧道，需要严 格控制地表沉降，保证已有建筑和管线设施的安全。 不注意研究、控制隧道开挖引起的地表沉降，会导致地 表沉陷、建筑物开裂，有时甚至出现塌方，引起人员伤 亡‘1 2 1 。 本文结合具体工程实例，采用数值模拟的方法，对 实际工程进行数值再现，进而进行参数分析，深入研究 隧道开挖对地表沉降的影响，得出影响沉降的主要因 素，并对开挖中的施工措施进行定量分析，得出隧道开 挖方法对地表沉降的影响效果，得出可供设计、施工参 考的结论。 1 隧道开挖的数值模拟仿真 某实际工程中的暗挖隧道的开挖断面图及支护结 鱼超前小导管 构如图1 所示。隧道开挖采用正台阶法，开挖分上下 两台阶，台阶长度为3m 。施工时，先进行上台阶小导 管注浆超前支护，注浆长度为3m ，然后开挖并及时进 行初期支护，在与上台阶距离3m 处进行下台阶开挖 和初期支护，以此作为一个循环，当工作面完成一个循 环后进行二次支护。隧道断面外轮廓尺寸为5 ．3m 4 ．0m ，初衬为钢格栅 钢筋网片的2 5 0m m 厚C 2 0 喷 射混凝土，二衬为双层钢筋 2 0 0m m 厚C 3 0 S 8 抗渗混 凝土。图l b 中的数字①一⑤表示具体的开挖和支 护步骤。 对该隧道开挖及支护全过程，借助F L A C 3 D 有限差 分程序进行数值模拟仿真，建立的仿真模型如图2 所示。 图2 a 表示开挖前的原状体，土体采用莫尔．库 伦本构模型，模型中通过加重力荷载构造初始地应力。 图l隧道开挖支护断面图 a 横断面； b 纵断面图 ①收稿日期2 0 1 2 - 0 5 - 0 9 作者简介张蓓 1 9 8 0 一 ，女，江苏张家港人，硕士，讲师，研究方向为隧道工程的支护技术。 万方数据 2 0 1 2 年0 8 月张蓓隧道开挖对地表沉降的影响分析 图2F L A G 3 0 有限差分模型 a J r 挖舸{ 体； I ， 开挖后上体 图2 b 表示隧道施工开始，按照上台阶、下台阶 的开挖顺序依次逐渐向前推进，开挖掉的土体采用 F L A C 3 0 中N U L L 单元模拟，从而引起地应力释放，地表 土体发生沉降。C 2 0 喷射混凝土采用S H E L L 单元模 拟，小导管提前注浆则通过提高注浆范围内土体的力 学参数实现。 2 多因素对地表沉降影响的显著性分析 隧道开挖引起的地表沉降规律主要和隧道的埋 深、断面尺寸、施工方法、支护方式、地层条件等因素有 关，但每个因素对地表沉降的影响程度不同，即显著性 不同，通过数值分析，结合正交试验安排，可以得出各 因素影响地表沉降的显著性大小，从而在实际的隧道 设计和开挖过程中，注意合理控制这些参数。 结合工程实际，本次多因素分析固定图1 反映的 施工方法和支护参数，对隧道埋深、断面尺寸、地层土 强度c 、妒值这四个因素进行定量分析。为使模拟数据 能很好的显示出变化规律，上述四个因素均选取三个 水平。各因素在不同水平的取值见表1 。 表1因素的水平取值 按照正交试验安排方法，可以得到4 因素3 水平 的正交试验表，如表2 ，共需要做9 次试验。 对这9 次试验中的不同隧道埋深、土层强度和断 面形状，按照表2 中的组合方式，采用图1 所示的开挖 和加同方法，分别进行模拟计算，得出9 次试验隧道正 上方的地表沉降，将数值列人表2 中分析。 表2正交试验组合及沉降数据分析表 根据正交试验的分析规则，算取试验数据的极差， 各个因素对地表沉降影响的最大最小数值之差，即极 差，可以表明其对模拟量的影响情况。极差越大，说明 影响因素对模拟量的影响越大。 用表2 的数据作出极差分布的直方图，如图3 所 示。可以直观的看出，隧道断面的跨高比对地表沉降 的影响最大，其次是隧道埋深、土的内摩擦角，最后是 土的粘聚力。 图3各因素的极差直方图 隧道断面越趋向于高窄，其地表沉降数值越小，隧 道埋深越大，地表沉降越小，土层强度越高，其地层沉 降越小。 在试验给出的三组土层强度中，涵盖了一般硬粘 土的强度指标，这类强度的土层适于直接暗挖法施工， 可以看出，在一般的硬土层中开挖隧道，土层强度参数 相差3 0 ％左右时，对地表沉降的影响差异并不明显。 但隧道断面的形状则很大程度影响了地表沉降，跨高 比1 ．5 较跨高比为1 ．0 的隧道，在其他条件相同时，地 表沉降相差在1 0c m 以上，隧道埋深增加5m ，地表沉 降减小约6c m ，因此在隧道断面设计中，尽量增加埋 深，减小隧道的跨高比是控制地表沉降的有效措施。 黼 万方数据 矿冶工程 第3 2 卷 3 开挖及加固对地表沉降的影响分析 3 ．1 小导管超前注浆对地表沉降的影响 小导管超前预注浆加固地层是隧道施工常用的方 法。注浆小导管通常采用 I 3 8 ～5 0m m 的焊接钢管制 成，导管沿隧道掌子面上半断面周围轮廓线布置，间距 为0 ．2 0 ．3m ，仰角控制在1 0 0 ～1 5 0 ，管长3 ～3 ．5m ， 间距1 0 ～2 0c m 。 一般来讲，注浆范围越大，对地层加固效果越好， 但是，在经济角度上，大范围注浆并不提倡，而且施工 干扰较大[ 3 ] 。因此，加固什么部位最理想，就成了最 为关注的问题。本文对不注浆、隧道拱部注浆、边墙注 浆、拱部边墙都注浆的四种情况进行了分析计算。相 应的地表沉降结果见表3 。 表3 不同部位注浆的地表沉降值 注浆方式地表下沉／m i l l 不注浆 拱部注浆 边墙注浆 拱部边墙注浆 4 8 ．6 3 2 6 ．1 2 4 2 ．5 0 2 2 ．4 5 ‘ 由表3 可以看出，没有注浆时，地表下沉达4 8 ．6 3 m m ，边墙注浆后，地表下沉减少了6 ．1 3m m ，但仍达到 4 2 ．5m m ；拱部注浆效果明显，地表下沉减少了2 2 ．5 1 m m ，下沉量仅为2 6 ．1 2m m ；拱部边墙都注浆后，地表 下沉减少了2 6 ．1 8m m ，下沉量减少到2 2 ．4 5m m ，虽然 增强了边墙注浆，但较单纯拱部注浆，减小地表沉降的 效果不明显。 由此可以看出，不同的注浆部位，对控制地表下沉 的效果有明显区别，以拱部注浆的效果最为明显。因 此，采用拱部注浆可以有效控制地表沉降。 3 ．2 台阶开挖长度控制地表沉降的定量分析 城市及附近地区的隧道一般采用上台阶分布开挖 法Ho 。施工时尽量减少对围岩的扰动，一般采用人工 开挖。不同的台阶开挖长度，地表沉降大小也有差异。 本文从台阶长度￡为0 ．2 5 D ，0 ．5 D ，0 ．7 5 D D 为隧道 断面宽度 三种情况来进行研究。地表沉降结果见 表4 。 表4 不同台阶长度的控制效果 台阶长度地表下沉／m O ．2 5 D O ．5 D 0 ．7 5 D 2 5 ，9 0 4 3 ．2 0 4 7 ．7 3 由表4 可以看出，台阶长度从0 ．2 5 D 增加到0 ．5 D ， 0 ．7 5 D ，地表下沉量分别增加了1 7 ．3m m 和2 1 ．8 3m m ， 分别占台阶长度为0 ．2 5 D 时的6 6 ．8 ％和8 4 ．3 ％。表 明台阶长度越大，控制地表下沉的效果就越差。因此， 为控制地表沉降，在留够掌子面核心土和必要的作业 空间后，台阶长度应尽量短些。 3 ．3混凝土喷层厚度控制地表沉降的定量分析 在软弱破碎及松散、不稳定的地层中采用浅埋暗 挖法施工时，除需对地层进行预加固外，利用混凝土喷 层作为隧道初期支护对保证开挖后隧道的稳定性、减 少地层扰动和地表沉降，都具有一定作用”o 。本文对 不同的喷层厚度对地表沉降的控制进行分析。结果见 表5 。 表5 不同喷层厚度的支护效果 喷层厚度／e r a地表下沉／咖 2 0 3 0 4 0 4 6 ．0 9 4 2 ．7 0 4 0 ．9 2 由表5 可以看出，喷层厚度从2 0t i l l 增加到3 0e m 时，地表下沉量减少了3 ．3 9m m ，而从3 0c m 增加到4 0 c m 时，地表下沉量仅减少了1 ．7 8m m ，说明增加喷层 厚度对地表下沉虽然有一定的效果，但与注浆加固措 施相比，其控制效果并不显著。这是因为城市隧道大 多位于浅土层，初始应力水平一般较低，采用分步开挖 时，绝大部分土体变形荷载在支护闭合前已经获得释 放，因此，加强喷层支护也不会对控制土体变形起明显 效果，从而地表沉降的减少也不显著。但喷层可以加 固隧道表面土体，有效防止土体碎裂崩落，从而保障施 工安全，因此适当厚度的喷层在施工中是必要的。 4 结论 采用有限差分软件F L A C 3 D ，以实际隧道工程为背 景，对影响地表沉降的多因素进行显著性分析，同时就 台阶法施工、小导管超前预注浆及喷射砼三种开挖和 支护技术对地表沉降的影响进行了分析，得出如下 结论 1 隧道断面的跨高比显著影响隧道地表沉降，较 小的跨高比有利于减小地表沉降；隧道的埋深较显著 影响地表沉降，较大的埋深有剩于减小地表沉降；土层 的强度参数，在相差3 0 ％时，对地表沉降的影响并不 显著。 2 隧道开挖和加固的施工措施中，小导管预注浆 万方数据 2 0 1 2 年0 8 月 张蓓隧道开挖对地表沉降的影响分析 5 0 7 加固围岩，可以有效地控制围岩变形，减少地表沉降 值，以拱部注浆减小地表沉降最为有效；开挖的台阶长 度影响地表沉降，台阶长度增大，地表下沉量增加，较 小的台阶长度对控制地表沉降有利；喷层厚度对控制 地表下沉有一定的效果，喷层厚度增加不能明显减小 地表沉降，但有利于保证施工安全。 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] 周爱国．隧道工程现场施工技术[ M ] ．北京人民交通出版社，2 0 0 4 ． P e c kR B ．D e e pe x c a v a t i o n sa n dt u n n e l i n gi n s o f tg r o u n dS t a t eo ft h e A r tR e p o r t [ R ] ．P r o c7 t hI n tC o n fo nS o i lM e c h a n i c sa n dF o u n d a t i o n E n g i n e e r i n g ，M e x i c oC i t y ，1 9 6 9 2 2 5 2 9 0 ． [ 3 ] 0 ’R e i l l yMP ，N e wBM ．S e t d e m e n t sa b o v et u n n e l si nt h eU K t h e i r m a g n i t u d ea n dp r e d i c t i o n [ J ] ．T u n n e l l i n g ，1 9 8 2 ，8 2 1 7 3 1 8 1 ． [ 4 ] N e wB M ，0 ’R e i l l yMP ．T u n n e l i n gi n d u c e dg r o u n dm o v e m e n t s p r e d i e t i n gt h em a g n i t u d ea n de f f e c t si nJ a m e sDG e d d e se d s [ C ] ∥P r o c 4 t I lI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nG r o u n dM o v e m e n t sa n dS t r u c t u r e s 。 P e n t e c hP r e s s ，L o n d o n ，1 9 9 2 6 7 1 6 9 7 ． [ 5 ] 刘宝琛，林德璋．浅部隧道开挖引起的地表移动及变形[ J ] ．地 下工程，1 9 8 3 7 1 7 ． [ 6 ] 谢明．深圳地铁暗挖区间地表沉降分析及控制探讨[ J ] ．西部 探矿工程，2 0 0 4 ，9 7 6 8 3 8 5 ． [ 7 ] 吴应明，王学斌．地铁浅埋暗挖隧道地层沉降因素及控制对策 [ J ] ．城市轨道交通研究，2 0 0 3 4 6 4 6 7 ． [ 8 ]吕勤，张顶立．城市地铁暗挖施工地层变形机理及控制实践 [ J ] ．中国安全科学学报。2 0 0 3 ，1 3 7 2 9 3 4 ． 万方数据