隧道开挖引起的地层位移是由于开挖引起的地层损失和开挖中隧道围岩受扰动或受剪切破坏的岩土体再固结所造成的。城市轨道交通隧道由于埋深浅, 施工引起的地层位移会波及地表, 使地表产生沉降和变形, 当沉降和变形达到一定程度时, 将影响地面建筑物的安全和地下管线的正常使用。如若发生地表塌陷, 其影响将更加严重, 不仅会造成地面环境的严重破坏, 还将危及隧道结构的自身安全, 甚至威胁相关人员的生命安全, 从而产生非常恶劣的社会影响^[1,2]。

地表沉降和变形的大小不仅与隧道的埋深、断面尺寸、施工方法和支护方式有关, 而且还受水文地质的影响。多年来, 国内外诸多学者通过研究, 提出了多种计算地下工程开挖引起地表沉降的计算理论和方法^[3], 主要有:经验公式法、解析法、数值模拟法、物理模型法、随机介质理论等, 其中数值模拟法因其使用方便、计算快捷而被广泛使用。朱正国^[4]等运用3D-Sigma建立了隧道开挖三维数值模型, 进行施工效应的计算模拟, 分析了大管棚和顶管预支护洞室的力学响应, 并对比分析了2种预支护的效果。翁效林^[5]等依托西安地铁工程, 在不同施工方法的情况下, 研究了黄土地区地铁隧道开挖引起地表沉降的影响, 并总结出了黄土地区隧道开挖所引起的地表沉降以主固结沉降为主, 提出了全断面法是控制黄土地质隧道地表沉降最有效的方法。姚宣德^[6]等通过对众多工程实例的实地调研, 运用模糊聚类分析方法对实地调研数据进行统计分析, 并考虑工程建设的经济性, 给出了在目前工程条件下地表沉降控制值的建议值。

以兰州轨道交通1号线拱星墩至焦家湾区间 (以下简称拱焦区间) 浅埋暗挖段为工程背景, 采用现场监测与数值模拟相结合的方法, 对黄土地区浅埋暗挖隧道开挖支护引起的地表沉降规律进行研究, 并对比分析不同支护方案下地表的沉降规律, 探讨在目前施工条件和工程投资下, 黄土地区浅埋暗挖隧道较合理的支护方案。

兰州轨道交通1号线拱焦区间地貌单元属黄河二级阶地, 场地西高东低, 根据工程勘察资料显示, 拟建工程场地在勘探深度45.0m范围内, 地层从上到下依次为:杂填土, 湿陷性黄土, 饱和黄土, 砂、卵石层, 下伏白垩系砂、泥岩地层 (见图1) 。卵石中富含第四系潜水, 渗水性强, 白垩系砂、泥岩成岩性较差, 原生裂隙及节理较为发育, 且具有膨胀性, 工程需考虑防渗漏问题和围岩的膨胀性问题, 其技术处理难度大, 且工程造价较高。

拱焦区间地层稳定连续, 无地质构造及其他不良地质作用。地下水位埋深14.5~17.8m, 高水位按现水位提高2.0m考虑, 拟建场地抗震设防烈度为8度, 经分析场地内黄土属非液化土。湿陷性土层分布深度为8.5m左右, 区间隧道底板埋深16.0~20.5m, 因此, 在此区间长度范围内隧道开挖不受湿陷性黄土的影响, 可不作处理。

拱焦区间采用暗挖法施工, 断面开挖前打设超前小导管注浆加固地层, 以弥补地层损失, 主要施工步骤如图2所示 (左、右线施工步骤相同) 。

拱焦区间沿东岗东路布设, 线路南侧多为6~7层的办公楼和小高层。东岗东路交通量较大, 隧道施工期间车辆正常通行, 必须严格控制地表沉降, 要做到勤量测, 以便及时发现问题采取相应措施。隧道开挖引起地表沉降控制指标如表1所示。参考有关规范^[7], 综合考虑兰州地区地质条件和设计资料, 确定工程监测等级为二级, 地表沉降监测控制值为35mm。

通过对拱焦区间现场勘察资料统计分析, 各个断面的地质情况基本类似, 所以本文取拱焦区间的DK32+317断面进行地表最终沉降值分析研究。其中监测点按断面里程编号, 每个断面布设17个测点, 从左到右依次为1~17 (见图3) 。DK32+317断面的沉降槽曲线如图4所示。从图4可以得出以下结论。

1) 地表的最大沉降量为25.59mm, 小于地表沉降监测目标控制值, 满足要求。

2) 根据李倩倩^[8]等研究表明:双线隧道间距<2.0D (D为单线隧道宽度) 时, 地表沉降模式为“单凹槽状”, 间距>2.0D时, 则为“双凹槽状”;本断面两隧道间的距离为16m<2.0D (D为8.4m) , 沉降槽整体形状为“单凹槽状”, 但由于隧道间距已经接近2D, 局部已经向“双凹槽状”过渡。

3) 由于先开挖隧道 (左线) 对围岩的扰动作用, 使得后开挖隧道 (右线) 所引起的地表沉降值大于先开挖隧道所引起的地表沉降值。

本文采用有限元软件MIDAS/GTS-NX进行建模与计算, 讨论隧道开挖引起的变形特征。

1) 初始地应力场只考虑土体产生的自重应力, 所选土体为均质、连续、各向同性;围岩及混凝土均不考虑体积膨胀。模型中围岩采用实体单元;为简化模型, 初期支护只考虑超前支护加固区, 钢拱架和喷射混凝土的共同作用, 采用板单元模拟。

2) 考虑到实际施工中为了消除左、右线隧道开挖的相互影响, 对左、右线隧道进行了分段施工。根据统计分析, 左、右线开挖面相对位置主要在20~40m这一区段范围, 此处将数值模拟工况选择为左、右线开挖面相对位置为30m, 即左线超前右线30m。

3) 采用上、下台阶法开挖, 断面开挖支护过程如下: (1) 小导管超前支护; (2) 开挖断面的初始状态; (3) 上台阶开挖及初期支护; (4) 下台阶开挖及初期支护; (5) 二衬支护 (生效) 。

4) 为了尽可能还原施工过程中地表沉降过程, 本模型依照实际工况建立, 采用Mohr-Coulomb准则。

根据圣维南原理, 计算模型考虑区间内的土体性状, 计算模型横断面尺寸34m×80m, 纵向取70m。上边界为地表, 地表至下边界取34m, 隧道拱顶至地表9m。地表为自由边界, 底面为竖向约束, 前、后、左、右面均采用法向约束。材料的力学参数如表2所示。

实测数据与数值模拟对比结果如下 (见图5) 。

1) 数值模拟曲线与实测数据曲线变化规律基本相同, 所以MIDAS/GTS-NX能够较真实地反映隧道开挖过程中隧道位移的变化。

2) 沉降槽中心稳定在平行双线隧道的中部靠右侧位置。

3) 数值计算比现场实测地表沉降值要小, 可能与未考虑时间因素有关, 图中两者的差值大约为开挖过程中地下水位下降引起的失水固结沉降增量。

4) 实测最大位移值为25.59mm, 模拟最大位移值为22.60mm, 在距离隧道中线-3.9m处误差最大, 为3.49mm。

DK32+317断面施作临时仰拱时, 实测最大位移值为25.59mm, 小于隧道地表沉降监测控制值35mm。施工期间, 附近建筑物基本没有发生变形, 因此, 在安全范围内可适当增大地表沉降量, 以降低工程造价。现对支护方案进行优化设计, 以避免施作临时仰拱时复杂的施工工序, 在其他条件均不改变的同时, 采取无临时仰拱与初支后拱肩注浆方案, 通过三维数值模拟, 确定较优支护方案, 以指导后期施工。

模拟计算结果表明:无临时仰拱地表监测点的最大沉降值为32.63mm, 比施作临时仰拱时沉降值增大了44.38%。虽然隧道模拟沉降值仍在35mm以内, 但离地表沉降监测控制值已经较近, 为使隧道有足够的安全储备, 此支护方案不建议在后期施工中使用。

采用初支后拱肩注浆的方案, 可对初支背后的空洞进行填实, 同时也对拱肩部位的围岩进行了加固, 对控制地表和拱顶沉降以及洞内收敛有非常明显的效果。利用有限元软件中的修改单元属性命令, 分别对注浆范围内的围岩实体单元进行修改, 然后通过激活命令施加到各施工阶段。

模拟计算结果表明:初支后拱肩注浆时地表监测点的最大沉降值为27.72mm, 沉降值增大了22.65%。此时, 模拟沉降值与地表沉降监测控制值较远, 结构具有较大的安全储备, 此方案建议在后期施工中使用, 以达到节约资源、降低工程造价、缩短工期的目的。

针对城市轨道交通暗挖隧道施工引起的地表沉降与变形, 在安全范围内, 探讨并提出一种有效的支护方案, 可节约成本、缩短工期。通过对3种支护方案比较, 施作临时仰拱对控制地表沉降的效果最好, 可将地表最大沉降值控制在25.59mm, 但施工工法转换频繁、施工技术复杂、工期较长、造价也较高;其次是采取初支后拱肩注浆的支护方案, 可将地表最大沉降值控制在27.72mm, 此方案既有效地控制了地表沉降, 也保证了安全、加快了工程进度、降低了成本。

本文针对黄土地区近距离双线隧道施工, 利用MIDAS/GTS-NX数值模拟软件, 对3种不同的隧道支护方案进行对比分析, 选择较优施工方案;模拟对比时由于未考虑时间影响因素, 数值模拟结果比现场实测地表沉降值要小。通过模拟对比分析, 得出以下结论与建议。

1) 通过分析对比, 数值模拟结果与现场实测的结果基本一致, 验证了MIDAS/GTS-NX模拟隧道开挖过程的可行性, 可用此软件预测地表沉降以及通过数值模拟选取较优施工方案, 以指导后期施工。

2) 考虑工程建设的经济性, 在安全范围内, 采用初支后拱肩注浆的支护方案, 在提高工程机械利用率、缩短工期、降低工程成本方面具有较为明显的优越性。

3) 由于兰州地区轨道交通建设起步较晚, 在此方面的研究成果较少。建议系统研究兰州地区各类地层条件在隧道开挖时的沉降规律, 为后续轨道交通修建提供更加合理的设计与施工方案。