摘要：黄土地区地质条件复杂，浅埋暗挖地铁隧道施工时由于受地质条件的影响，易诱发周围地表沉降，过大的地表沉降对周边环境造成不利影响。开展黄土地区暗挖地铁隧道施工诱发的地表变形规律研究具有重要意义。本文通过对西安地铁5号线某暗挖区间采用FLAC软件进行数值模拟研究，对比分析CD法、CRD法及双侧壁导坑法施工诱发的横向和纵向地表沉降，结合经济性、实用性和安全性，最终确定方案为CRD工法，将选择的可行的CRD工法应用于该暗挖区间并对现场地表沉降进行实时监测。得出结果为：横向地表沉降最大值为33.18mm，纵向地表沉降最大值为17.18mm。地表沉降最大值均处于允许范围之内。与CRD工法模拟结果比较，符合现场施工控制标准。证明该施工方案合理可行。保证了工程的安全运行，从而为黄土地区浅埋暗挖地铁隧道的施工提供借鉴价值。
关键词：浅埋暗挖；数值模拟；地表沉降；控制标准
地铁隧道的施工将不可避免地破坏土体原有应力平衡，引起周围土体产生地层变形[1]。地表沉降被普遍认为是由于地层损失引起的，过大的地表沉降会危及隧道本身及周围建筑物的安全[2-4]。地铁隧道的开挖是在存在有初始应力场的地层中进行的，开挖引起地层初始应力状态的改变，即二次应力场，是由于地层初始应力场与开挖引起的附加应力场叠加而成的应力场。地表沉降的主要机理是由于开挖面的应力释放、附加应力等引起地层的弹塑性变形。隧道施工中影响地表沉降的因素很多，地表移动和变形的大小不仅与隧道的埋深、断面尺寸和地层条件、支护方式有关，而且受施工方法的影响[5]。刘建平等[6]研究分析了IV级围岩情况下采用CD法、台阶法施工引起的地表沉降规律。杨会军，孔恒针对浅埋大跨暗挖隧道地铁车站施工对地表沉降的监控量测分析其变形规律[7]。李永靖等[8]研究了不同埋深、不同开挖步序情况下浅埋暗挖地铁隧道施工对地表沉降的影响规律。王金明[9]等基于有限差分软件FLAC3D对大断面浅埋暗挖地铁隧道施工诱发的地表沉降进行了数值模拟分析，得出了不同工法对地表沉降影响的显著程度，根据研究结果提出具有实践意义的建议。本文采用FLAC3D数值模拟软件研究不同工法下地铁隧道施工对地表沉降的影响，并结合现场监测数据进行对比分析。所得结论可为黄土地区浅埋暗挖地铁隧道施工提供技术支撑。
2工程概况
高新路～劳动南路区间起于高新路站，丰庆公园东南角，沿南二环东西向布设，线路从高新四路站出站后，沿途下穿王府花园酒店、海都饭店，侧穿桃园桥、陕西省旅游学校，到达劳动南路站。区间隧道洞顶覆土9.5~18m，左右线间距13~19m，区间含有两处平曲线，最小曲线半径为350m，线路含两处竖曲线，线路最大纵坡11.5‰。地裂缝设防段采用浅埋暗挖法施工。本文选择隧道右线某暗挖区间为研究对象，分别采用CD法（中隔墙法）、CRD法（交叉中隔墙法）以及双侧壁导坑法（眼镜法）进行暗挖隧道的施工，对隧道施工诱发的地表沉降规律展开研究。该区间隧道拱顶土体预加固采用φ42×3.5mm的超前小导管注浆，布设范围在拱顶1500范围，环间距300mm。为了使支护结构尽快封闭成环，改善整体结构受力情况，在钢拱架架立之后及时喷射混凝土。具体隧道支护结构见图1所示。
该区间地层为：地表分布薄厚不均的全新人工填土（Q4ml）；其下为上更新风积（Q3enl）新黄土及残积（Q3el）古土壤，再下为中更新统（Q2eol）老黄土，冲击粉质粘土、中砂等。暗挖盾构井开挖时实际地层与地质报告基本一致，该暗挖区间暗挖隧道主要穿越的地层为饱和软黄土、古土壤和老黄土。
对本区间地铁施工有直接影响的是地下潜水，潜水层水位约为地下9.5~11.6m。勘察报告揭露，场地内地下潜水稳定水位埋深10.4~15.6m之间，相应高程为395.72~399.8m。根据西安长期水位观测资料，勘察时接近平水位期。地下水年变幅2m左右。由于该区间采用了较为完善的降水措施，因此模拟计算时不考虑地下水的影响。
3不同工法施工过程数值模拟
3.1建立计算模型
浅埋暗挖区间（ZDK29+188.462~ZDK30+288.900）施工段开挖断面为9×9.035m2，拱顶埋深约8.12m。采用复合衬砌支护，开挖后及时封闭成环，循环开挖进尺2m。根据地铁隧道开挖影响范围并参考已有的经验，取左、右以及下部边界均为3倍隧道洞径，取计算模型为：63m×44m×48m(长×高×宽)，隧道埋深9.8m。为了研究不同工法在隧道开挖过程中对地表沉降的影响，本文采用FLAC3D软件对施工过程进行模拟。数值模拟中地表沉降监测点布置如图3所示。考虑隧道施工时地面车流量较大，因此在模拟计算中取附加荷载为15kPa计算。建立不同工法计算模型如图4所示：
图3 不同工法数值计算模型
3.2土层材料参数
土层采用Mohr-Coulomb屈服准则。根据工程地质勘察报告，土层计算参数如表1所示：
4模拟结果分析
4.1开挖过程地表沉降分析
由以下3个表可知：
（1）CD法施工在导洞1上台阶开挖时对地表沉降的影响较大，约占总沉降量的33%，这是由于开挖时未施作临时仰拱及时封闭成环；导洞2下台阶开挖时引起地表沉降较小，约占总沉降量的15%左右。
（2）CRD法施工导洞1和导洞3开挖引起的地表沉降量约占总沉降量的35%；由于施作临时仰拱及时封闭成环，导洞4开挖引起的地表沉降量最小，占总沉降量的10%左右。
（3）双侧壁导坑法施工在每个导洞开挖时引起地表沉降量均较小，其中导洞6开挖引起地表沉降量最小，仅占总沉降量的5%。
由上可知，临时仰拱的施作与地表沉降量的大小有一定的关系，因此浅埋暗挖地铁隧道在施工时应施作临时仰拱及时封闭成环以控制地表沉降量。
4.2地表沉降曲线分析
采用FLAC3D数值模拟软件对地铁隧道在三种不同施工工法下的施工全工程进行动态模拟，对模拟结果进行分析，绘制不同工法下各导洞开挖引起的地表沉降曲线，分析隧道开挖诱发的地表沉降变形规律。
4.2.1横向地表沉降曲线分析
从图4中可以看出，浅埋暗挖隧道采用不同工法施工时横向地表沉降有以下特点：
（1）三种工法开挖时，由于各导洞开挖的时序性，地表沉降曲线中最大值首先会偏向先开挖导洞的一侧，随着开挖步序的推进，地表沉降曲线中心逐渐向另一侧偏移。最终导致地表沉降偏向于后开挖导洞的一侧。
（2）对地表沉降控制效果的优劣上，依次为双侧壁导坑法、CRD法、CD法，最终地表沉降值分别为17.93mm、30.88mm、35.49mm，在沉降最值上，CRD法相比CD法（加临时仰拱）可减小约5mm的地表沉降，双侧壁法相比CRD和CD法可减小约10mm和20mm的地表沉降。可知，在控制大断面暗挖地铁隧道施工诱发的横向地表沉降方面，双侧壁导坑法效果最优，CD工法效果不太理想。
图4不同工法施工地表沉降曲线
4.2.2 纵向地表沉降曲线分析
各导洞开挖后，由于临空面的卸载，破坏了围岩的初始应力状态。围岩发生应力重分布，并形成新的平衡，为了研究隧道开挖后的时空效应，以便更好的了解地表变形规律，有必要对隧道各导洞开挖后的纵向地表沉降动态变化过程进行分析研究。限于文章篇幅，现选取监测点Z5，Z9进行地表沉降分析。以隧道各导洞开挖距监测断面的距离为横坐标，导洞未开挖至监测点时为负，穿过监测点时为正；地表累计沉降量为纵坐标。得出不同工法情况下各导洞开挖后纵向地表累计沉降变化曲线如下图5、图6。
从图5中可以看出，三种工法在开挖时呈现出以下特点：
（1）CD法在导洞1未开挖至监测点时，地表沉降变化很小；当导洞1推进至监测点时，地表沉降速率明显变大，沉降值大幅增加。CRD法和双侧壁导坑法在导洞1和导洞2开挖时表现出相同的规律。
（2）三种工法下随着各个导洞开挖步序的推进，沉降值变化趋于稳定。由于先行导洞的开挖，导致后行导洞在刚开挖时就已存在沉降量，且随着导洞开挖时间越晚，初始沉降值越大。双侧壁导坑法在导洞6开挖时，初始值沉降值达到9.04mm。
（3）CD法、CRD法和双侧壁导坑法下监测点Z1最终的累计沉降值分别为：25.36mm、17.85mm、15.01mm。因此，在控制效果上双侧壁导坑法占优。
图5 不同工法测点Z5纵向地表沉降变化图
图6是监测点Z9累计纵向地表沉降变化曲线，从图中可以看到，在三种工法下各导洞开挖引起地表沉降与监测点Z1地表沉降有相同的变化规律。由于Z9距离洞口较远，先行导洞对后行导洞的影响相对较小。
图6 不同工法测点Z9纵向地表沉降变化图
5现场实测分析对比
根据现场施工监测要求，在区间ZDK29+188.462~ZDK30+288.900进行地表沉降监测点布置，现场监测点布置图如图2所示。现场采用CRD工法施工，由现场监测数据绘制最终地表沉降曲线，并与模拟最终结果对比研究，得到如图7所示数据对比图。
从图中可以看出，采用CRD工法进行数值模拟所得结果与现场监测数据变化趋势基本保持一致。
对于横向地表沉降，现场监测数据所得地表最大沉降值在隧道中线附近处，最终形成的沉降槽约为隧道洞径的3倍。这与Peck公式得到的沉降槽分布特点和变化趋势基本一致。CRD工法模拟的横向地表沉降最大值为30.88mm，现场实测地表沉降最大值为33.18mm，比模拟值大了3mm左右。主要原因是由于施工现场地质条件较为复杂，数值模拟工程中对附加荷载进行了简化，且未考虑孔隙水压力的影响。
对于纵向地表沉降，CRD工法模拟的纵向地表沉降最大值为17.78mm，现场实测地表沉降最大值为19.98mm。比模拟值大了2.2mm，，主要原因是现场施工条件复杂，数值模拟无法完全模拟现场隧道施工工程。CRD工法模拟结果与现场实测地表沉降值均能满足浅埋暗挖地铁区间隧道地表沉降控制标准。
6结论
(1) 通过模拟对比分析双侧壁导坑法、CRD以及CD法引发的地表沉降，可以得出对于洞径在8m～9m，埋深9m左右的马蹄形黄土隧道开挖，在遵循采用超前小导管注浆加固等辅助工法后，三种工法均可以保证沉降量在限定范围，并且双侧壁法相比另两种工法沉降控制显著。但综合造价、工期以及工艺复杂度等指标，建议在此种工况下采用CRD施工工法。
(2) 通过对CRD工法的现场应用，并对地表沉降监测点进行实时测量，所得的地表沉降值满足现场施工控制标准，保证了工程的安全施工。
(3) 通过对CRD模拟数据与现场实测数据对比分析，可以得出，地表沉降模拟预测值与实测值基本吻合，并且地表沉降最大值均处于地表变形允许范围之内。模拟与实测结果对比进一步说明了在该区间采用CRD工法的科学性、合理性和安全性。
参考文献：
[1]扈世民,张顶立,郭婷.大断面黄土隧道变形特征分析[J].铁道学报.2012,34(8):117-1222
[2]康佐,郑甲佳,谢永利.浅埋暗挖黄土地铁隧道施工地层空间变位分析[J].铁道工程学报.20-14,(3):102-108.
[3]阳君生,刘宝琛.城市隧道施工引起的地表移动与变形[M].北京：中国铁道出版社.2002.
论文作者:卫建军
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/1
标签：地表论文; 隧道论文; 工法论文; 导坑论文; 区间论文; 地铁论文; 现场论文; 《建筑学研究前沿》2017年第29期论文;