寒区隧道施工中地表沉降变形监测与数值模拟研究.pdf

第4 1卷第9 期2023年9 月文章编号：10 0 9-7 7 6 7(2 0 2 3)0 9-0 113-0 7市放技术Journal of Municipal TechnologyVol.41,No.9Sep.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.09.113寒区隧道施工中地表沉降变形监测与数值模拟研究张雨龙(中铁十八局集团第三工程有限公司，河北涿州0 7 2 7 5 0)摘要：为了研究寒区隧道地表沉降变形特性，以长春市地铁7 号线一期工程东南湖大路站一赛德广场站区间隧道为研究对象，采用现场监测和数值模拟等方法对寒区隧道施工中支护与地表变形进行了探究。研究结果表明：设置超前支护结构后，隧道地表整体沉降趋势满足Peck曲线规律，最大沉降值为2 5.7 mm；拱顶沉降分为缓慢增长阶段、快速增长阶段和平稳增长阶段；最大主应力整体上呈受拉状态，拱顶和拱底处最小主应力也呈受拉状态。现场地表布设了监控量测点，数值模拟地表沉降与实测数据的变化趋势相似，结果均满足规范要求，可为类似工程提供一定的参考。关键词：寒区隧道；地表沉降；拱顶沉降；现场监测；数值模拟Zhang Yulong中图分类号：U45Analysis of Monitoring and Numerical Simulation of Surface Settlement&Deformation During Tunnel Construction in Cold Regions(China Railway 18th Engineering Group Third Engineering Co.,Ltd.,Zhuozhou 072750,China)Abstract:In order to study the surface settlement and deformation characteristics of tunnels in cold regions,the tun-nel between Southeast Huda Road Station-Saide Square Station of the first phase of Changchun Metro Line 7 wastaken as the research object.The support and surface deformation was investigated by field monitoring and numericalsimulation methods during tunnel construction in cold regions.The research results indicate that the overall settle-ment trend of the tunnel surface follows the“Peck curve law with a maximum value of 25.7 mm after setting the ad-vanced support structure;The settlement at the top is divided into slow growth stage,rapid growth stage and stabledevelopment stage;The maximum principal stress is mostly in tension,while the minimum principal stress at the topand bottom of the arch is in tension too.Monitoring measurement points are set up on the site surface.The surfacesettlement by numerical simulation consistent with the changing trend by monitoring measurement data.The resultsmeet the standard requirements which can provide a certain reference for similar projects.Key words:tunnel in cold regions;surface settlement;arch settlement;on-site monitoring;numerical simulation文献标志码：A随着我国东北地区基建设施的不断深入发展，公路和城市地铁隧道在寒区的修建大幅增加 1-3 。因受寒冷低温空气的影响，隧道围岩在低温作用下会产生损伤，力学性质比正常温度下的弱，易使地层地表发生沉降变形,进而导致隧道发生破坏 4-6 。如何有效掌握隧道上方地表沉降和施工变形规律是寒区隧道急需解决的问题。一些学者对寒区隧道进行了研究。如：王闯 7 对收稿日期：2 0 2 3-0 3-3 1作者简介：张雨龙，男，助理工程师，学士，主要从事城市地铁隧道研究工作。引文格式：张雨龙.寒区隧道施工中地表沉降变形监测与数值模拟研究 .市政技术,2 0 2 3,4 1(9)：113-119.(ZHANGYL.Analysis ofmonitoringand numerical simulation of surface settlement&deformation during tunnel construction in cold regions.Journal of municipal technol-0gy,2023,41(9):113-119.)114蛟河市爱林隧道开展了现场监测工作,得出当断面与掌子面间距大于4 0 m时，围岩位移变化基本趋于稳定的结论姚志飞 8 以哈尔滨市绕城高速天恒山隧道工程为背景，对寒区大断面土质隧道位移进行了系统研究，并将地表沉降变化过程分为早期地表微变阶段、中前期地表急剧变化阶段、中后期地表缓慢变化阶段、后期地表基本稳定阶段；王灿 9 通过理论推导结合数值模拟的方法，得出隧道拱顶段为最不利的位置，且在隧道运营第16 年时融沉深度最大的结论。在隧道浅埋暗挖法施工技术方面，李义华等 10 1采用管幕+CRD法对浅埋暗挖地铁隧道进行了施工，发现在施工的6 个阶段中，管幕对地表的影响最大；苑敏等 11 基于现场实测，发现浅埋隧道开挖会导致地面出现沉降槽，且拱顶位置沉降值最大。从上述研究中可以看出，浅埋暗挖法对地层地表变形影响较大，寒区地层地表变形对隧道的安全张氏鱼庄国园313羊庄1078海鲜烧烤啤酒广场溢香阁饺子城项目部东南湖大路站南湖大路Journal of Municipal Technology东赛区间临时竖井第4 1卷性有重要的影响。笔者则基于数值模拟和现场实测，对东北地区大断面隧道浅埋暗挖法施工过程中衬砌结构响应和地表沉降规律展开研究，以期对类似寒区隧道的施工提供参考，保障施工安全。1工程概况长春市地铁7 号线一期工程西起东南湖大路站，东到赛德广场站,线路总长1.18 km。该标段共设2座车站1个区间,项目包含：东南湖大路站、东南湖大路站一赛德广场站区间、赛德广场站。其中,东南湖大路站一赛德广场站区间由东南湖大路站沿南湖大路向东设置，下穿金川街至赛德广场，沿线地面高程19 7.8 9 19 9.0 5 m,线间距17 2 6 m，区间长度842.460m，区间线路纵向呈“N”形坡，隧道纵坡坡度依次为2%o下坡、2 3.4 8 6%o上坡、2%下坡，区间隧道顶埋深9.6 4 18.19 m。隧道区间位置见图1。长春赛德购物赛德广场站金川街迪卡侬赛得广场湖大路威海路站国图1隧道区间位置图Fig.1 Tunnel section location根据地勘报告资料可知，该工程勘察场地冻结深度为1.7 m，其上部均有人工填土分布，且厚度不均，结构松散，力学性质差异较大，稳定性差，如有雨、污水管线渗漏，易形成空洞，最大厚度可达7.4 m。下伏土层为强风化红色泥岩、砂岩，同时沿线隧道结构多次穿越土岩结合面和风化带，同一里程横断面软硬不均，纵剖面软硬相间，采用爆破开挖法极易发生开挖面塌、初支结构变形和地表沉陷等风险。该区间隧道采用暗挖法施工，设计里程K34+344.279K35+186.743，区间长度约8 4 2.4 6 0 m，在K34+714.914处设置临时施工横通道和施工竖井。雪月山饭店该区间为大断面暗挖施工，施工难度较大，单洞双线隧道循环进尺长度控制在0.5 m，单洞单线隧道采用台阶法开挖，循环进尺长度也控制在0.5 m。隧道施工示意见图2。2数值模拟2.1村模型建立1)几何模型利用FLAC3D有限差分软件，依托长春市地铁7号线一期工程隧道K34+750一K34+850区间进行建模分析。该隧道断面开挖跨度13.5 m,开挖高度第9 期东南湖大路站（暗挖车站）78.32暗挖标准断面长度张雨龙：寒区隧道施工中地表沉降变形监测与数值模拟研究287.25大断面施工长度115东赛区间赛德广场站临时竖井（盖挖车站）(1)大断面变化段施工长度65.569.1m,为确保模型的边界与隧道或溶洞的最小距离不小于隧道跨度的3 倍，模型尺寸为5 0 mx100mx67m，隧道拱顶距地面17 m。模型示意见图3。暗挖标准断面长度300.94东南湖大路站一赛德广场站区间工程暗挖区间目目暗挖区间大断面+一开挖方向图2 隧道施工示意图(m）Fig.2 Schematic diagram of tunnel construction库伦本构模型。管棚、小导管加固区和衬砌结构均采用实体单元进行模拟，采用弹性本构模型。初期支护和临时支撑均采用板单元进行模拟，初期支护厚度23cm，采用弹性本构模型。根据长春市地铁7 号线钻探资料和室内土工试验结果可知，主要地层包括：人工填土（冻结深度1.7 m）、砂质土、碎石土。为了方便建模,将钢拱架与喷射混凝土看作一个整体，弹性模量换算式 12 1为：E=Eo+S.ES。O暗挖标准断面长度471.56842.46式中：E为折算后混凝土的弹性模量,GPa;E。为原混凝土的弹性模量,GPa;S.为钢拱架截面面积,cm;E.为钢拱架弹性模量,GPa;S。为混凝土截面面积,cm。建模所需参数见表1。表1模型参数a)三维图100b)正面图图3 模型示意图(m）Fig.3 Schematic diagram of the model2)边界条件模型前、后、左、右4 个面限制水平位移，底部固定位移边界，顶部为自由边界。3)参数选取数值分析假定岩体为各向同性材料，采用摩尔-Tab.1 Parameters of the model重度/弹性模量/泊松黏聚力/摩擦角/项目(kN/m)填土20砂质土21碎石土22初期支护23衬砌24管棚20小导管20临时支撑202.2计算工况模型隧道采用双侧壁导坑法施工，具体施工步骤为：1)施作拱部超前管棚和超前小导管注浆加固地层。2)施作一侧上导坑超前小导管，注浆加固地层；采用台阶法开挖1、2 号洞室，施作初期支护，打设锁脚锚杆。MPa3050800280003000010401040200000比0.300.320.300.200.200.200.200.20kPa242590(）333826市放技术116Journal of Municipal Technology3)采用台阶法开挖3、4 号洞室，施作初期支护，打设注浆锚管。4)采用台阶法开挖5 号洞室，施作拱部初期支护和临时仰拱。5)采用台阶法开挖6 号洞室，施作初期支护。6)分段割除下部部分临时中隔壁，找平并铺设防水层，最后施作底板和部分边墙二次衬砌。7)分段破除临时仰拱端头部分，待边墙二次衬砌达到设计强度后，架设临时支撑。8)分段破除中部临时中隔壁，施作顶部二次衬砌。9)待顶部衬砌达到设计强度后，拆除所有临时支撑构件，封闭成环。模型施工步骤见图4。一5346仰拱图4 模型施工步骤Fig.4 Model construction steps3结果分析3.1地表沉降和支护结构变形结果分析双侧壁导坑法开挖完成后,K34+800断面垂直于隧道开挖方向的模型地表中心线处整体位移云图和支护结构位移云图分别见图5、6。FLAC3D6.00c2019 tascaConsulting Group.inc.neDisplaeement Magnitude7.00E-037.1081E-036.5000E-036.0000E-035.5000E-035.0000E-034.5000OE-03.5000E3.0000E032.5000E-03032.0000E-031.0000E-031.5000E-035.0000E-040.0000E+00Zone Displacement VectorsMaximum:0.00710B11Scale:457.496Fig.5 Cloud chart of overall displacement of the model第4 1卷FLAC3D6.00c2019 Itasca.ConsultingGroup,Iinc.ZoneZDisplacement6.8487E-036.000E-035.000E-034.0000E-033.0000E-032E-03031.0000EO00OE+002.0000E-03-3.0000E-03D000E-5.0000E-03-03-7.0000E-03-6.0000E-03-7.1077E-03Fig.6 Cloud chart of the displacement of the model support由图5、6 可以看出，隧道施工影响范围由隧道中心处逐步向周边区域扩大，对围岩拱顶区域和拱底区域影响最大，拱顶表现为沉降，最大值为7.11mm，拱底表现为隆起，最大值为6.8 5 mm，均在模型开始处。K34+750、K 3 4+8 0 0 和K34+850断面地层地表总位移曲线见图7。20510uu/15202530-20-15-10模型横向距离/m图7 模型地层地表总位移曲线Fig.7 Overall surface displacement curves of the model由图7 可以看出，隧道开挖支护完成后,K34+750、K 3 4+8 0 0、K 3 4+8 5 0 断面最大沉降值均在隧道拱顶处，分别为2 3.0、2 5.7、2 0.4 mm，最大影响范围为3倍洞径，该区域内位移变化幅度较大，整体分布满足Peck曲线规律。K34+750、K 3 4+8 0 0 和K34+850断面变形点位的模型地层地表位移过程曲线见图8。由图8 可以看出，地层地表沉降分为3 个阶段：图5 模型整体位移云图(m)第1阶段(17 步)为缓慢增长阶段,该阶段变形增长缓慢，整体扰动较小；第2 阶段（8 2 0 步）为快速图6 模型支护结构位移云图(m）structure隧道位置11-505101520K34+750K34+800K34+850第9 期2520张雨龙：寒区隧道施工中地表沉降变形监测与数值模拟研究117FLAC3D6.00cz2019lItascaConsulingGroup,Inc.Zone Maximum Principal StressCalcdbyPohce.h svoalgomhm:e-071.7273E+061.5000E+061.2500E+061.0000E+067.5000E+05图10 典型断面最大主应力云图(Pa15wu/21050缓慢增长阶段快速增长阶段-50图8 模型地层地表位移过程曲线Fig.8 The surface displacement process curves of the model增长阶段，该阶段变形增长迅速，在施工中应重点关注；第3 阶段(2 13 0 步)为平稳增长阶段，该阶段变形增长速率变缓，逐步达到稳定状态。数值计算DO0OE+00OE+05055000E+05K34+750+061.5000E+06+06K34+800-1.7500E+061.9204E+06K34+850平稳增长阶段510施工步骤Fig.10 Cloud chart of the maximum principal stress of typical1520section2530FLAC3D6.00c2019 Itasca Consulting Group,Inc.ZoneMinimum Principal StressCalculatedby.Constant1.8384E+050.0000E+00-2.5000E+05-5.0000E+05-1.0000E+067.5000E+051.2500E+061.5000E+06.7500E+060000E+-06000EO000E+7500E3.2500E+06-3.5000E+06-3.7500E+063.9534E+06得到的地表沉降变形值均满足规范要求。3.2支护结构受力分析隧道开挖支护过程中，围岩应力逐步释放，且开挖释放的应力会逐渐转移到支护上。采用双侧壁导坑法开挖完成后的初期支护结构和典型断面主应力云图见图9 12。FLAC3D6.00c2019 tascaConsultingGroup.Inc.Zone Maximum Principal StresCalculated by.Constant2.3405E+062.2500E+062.0000E+061.7500E+061.5000E+061.2500E+061,0000E+065.0000E+057.5000E+052.5000E+05.5000E-5.000E+0505-7.5000E+051.0000E+06-1.1982E+06图9 初期支护结构最大主应力云图(Pa)Fig.9 Cloud chart of the maximum principal stress of initialsupport structure由图9 12 可以看出，初期支护施作完成后，拱顶处受弯矩影响，隧道内侧受拉、外侧受压,最大主应力呈受拉状态，最大值为2.3 4 MPa，位于模型中心处，同时，拱底和拱脚外侧也均处于受拉状态,其他部位最大主应力整体上呈受压状态。上部超前支护结构的最小主应力普遍偏大，拱顶最小主应力也呈受拉状态，最大值为0.18 MPa，位于拱底处。隧道开挖支护过程中，内支撑结构的受力也在图11初期支护结构最小主应力云图(Pa)Fig.11 Cloud chart of the minimum principal stress of initialsupport structureFLAC3D6.00cz019 tasca Consuing Group,inc.Zone Minimum Principal StressCalaetedby:PolynomhsvDalgormthm:1e-072.7399E+062.5000E+062.0000E+061.5000E+061.0000E+060000E+050.0000E45.0000E+05+00-1.0000E+06-1.5000E+062.0000E+062.5000E+06-2.8721E+06Fig.12 Cloud chart of the minimum principal stress of typical不断变化，采用双侧壁导坑法开挖完成后的内支撑结构主应力云图见图13、14。由图13、14 可以看出，在开挖完成后，模型最大主应力呈受拉状态，最大值为3.8 9 MPa，位于内支撑边界的底部；最小主应力呈受压状态，最大值为14.4 1MPa,也位于内支撑边界的底部，在施工中应格外注意。根据现场实际情况，支撑边界的底部可采取相应加固措施。3.3围岩塑性区分析采用双侧壁导坑法开挖完成后的K34+800断面围岩塑性区分布云图见图15。图12 典型断面最小主应力云图(Pa)section市放技术118Journal of Municipal TechnologyFLAC3D6.00cez019.Itasca Consutting.Group,.In.ShellMaximum Principal StressSurface-X-(1,0,0)epthFactor=o3.8941E+063.7500E+063.5000E+063.2500E+063.0000E+062.7500E2.5000E+062500E2.0000E+060675001.5000E+06+06.2500E+061.0000E+067.5000E5.0000E+05+052.5000E+057.8415E+00图13 内支撑结构最大主应力云图(Pa)Fig.13 Cloud chart of the maximum principal stress of internalsupport structureFLAC3D6.00ez019 Itasca ConsultingGroup,.Inc.Shll MinimumPrincipal StressSurface-X-(1,0.0)epthFactor=o7.4506E+01-1.0000E+06-2.000E+06-3.0000E+064.0000E065.0000E+060000000100020001.4000E+07-1.4412E+07图14 内支撑结构最小主应力云图(Pa)Fig.14 Cloud chart of the minimum principal stress of internalsupport structureFLAC3D6.00cz019 ItascaConsuingGroup,Inc.Zone State By AverageCut Plane:onNoneshear-pshear-ptension-pFig.15 Cloud chart of plastic zone in surrounding rock由图15 可以看出，K34+800断面的塑性区主要集中在隧道拱顶、左右两侧拱脚和仰拱底部，边墙塑性区较小，拱顶和仰拱底部围岩的塑性区最大，整体上塑性区扩散较均匀，主要原因是寒区围岩的抗剪强度低，易被扰动。施工过程中存在围岩掉块和仰拱破坏的风险，应根据现场实际情况采取相应应急措施。现场监测与数值模拟对比分析实测数据与数值模拟对比曲线见图16。由图16 可以看出，随着隧道开挖的推进，各测点的位移在不断变化，K34+750断面的实测数据和数值模拟结果最贴合，K34+750和K34+800断面隧第4 1卷051015202530-20-15-10-5横向距离/m图16实测数据与数值模拟对比曲线Fig.16 Comparison curves between measured data and numericalsimulation道中心处实测数据均比数值模拟结果偏大。整体上，K34+750、K 3 4+8 0 0 和K34+850断面的沉降数据变化趋势均满足Peck曲线规律,且误差在允许范围内，数值模拟结果与实测数据相似，证明了数值模拟的有效性。K34+725K34+875断面现场实测曲线见图17。0510wu/21520图15 围岩塑性区分布云图2530-20-15-10-5横向距离/m图17 现场实测曲线Fig.17 Monitored curves on site由图17 可以看出，隧道未开挖的K34+875断面沉降明显较小,K34+850断面可能因为刚支护还未稳定的缘故整体沉降也较小，K34+725K34+800断面的沉降属于稳定后的沉降，与掌子面接近的K34+800断面的沉降最大。由于受到掌子面开挖扰动的影响，K34+725的沉降最小，说明掌子面对地表沉降有一定范围的影响，一般为3 倍洞径变形才基本平隧道位置05101520隧道位置一K34+725K34+750K34+775K34+800K34+825K34+850K34+87510510-K34+750（数值模拟）K34+800（数值模拟）K34+850（数值模拟）K34+750（实测数据）K34+800（实测数据）K34+850（测数据）1520第9 期稳。结合位移过程曲线，也能判断出地表沉降分为3 个阶段，即：缓慢增长阶段（微变化阶段）,在掌子面未开挖到监测断面时，地表变化速率较慢；快速增长阶段,即掌子面开挖至监测断面时,沉降迅速增大；平稳增长阶段，掌子面开挖超过监测断面后，地表沉降速率逐步减缓，围岩应力调整为稳定状态。5结论1)在设置超前支护后，隧道地表沉降发生在中心拱顶截面处，整体沉降趋势满足Peck曲线规律，最大沉降值为2 5.7 mm，位于竖向模型中心处，并随着隧道开挖逐渐增加。地表沉降可分为3 个阶段：缓慢增长阶段、快速增长阶段和平稳增长阶段，整体沉降水平在规范允许范围内。2)隧道开挖支护过程中，拱顶处受弯矩影响，隧道内侧受拉、外侧受压，最大主应力呈受拉状态，最大值为2.3 4 MPa。上部超前支护结构的最小主应力普遍偏大，拱顶最小主应力也呈受拉状态，最大值位于拱底处，为0.18 MPa，支撑结构受力在规范允许范围内。3)隧道开挖完成后，拱顶和仰拱底部围岩塑性区最大,边墙塑性区较小,整体上塑性区扩散较均匀，施工过程中存在围岩掉块和仰拱破坏的风险。4)通过现场实测发现，数值模拟结果与实测数据的变化趋势相似,误差在允许范围内，二者均满足规范要求，证明了数值模拟的有效性，可为类似工程提供一定的参考。参考文献【1马巍,王大雁.中国冻土力学研究5 0 a回顾与展望 J.岩土工程学报,2 0 12,3 4(4):6 2 5-6 4 0.(MA W,WANGDY.Studies onfrozen soil mechanics in China in past 50 years 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