青岛上软下硬复合地层隧道开挖变形规律研究.pdf

文章编号:():./.青岛上软下硬复合地层隧道开挖变形规律研究王青松张拥军康与超(.中铁二十局集团有限公司 西安市.中国铁建高原隧道施工技术及装备研发中心 西安市.青岛理工大学 青岛市)摘 要:如何控制隧道变形和地表沉降是隧道安全施工的重要问题 青岛地铁四号线静沙区间位于上软下硬的复合地层以此隧道开挖工程为背景总结岩土体变形的因素通过有限元模拟软件建立隧道开挖的三维数值模型对隧道洞身处于不同的地层开挖造成的围岩变形和地表沉降进行分析结果表明隧道穿越的土层类型由较坚硬岩变为全坚硬岩时围岩稳定性逐渐变好隧道开挖对土层的扰动减小致使地表沉降逐渐减小并趋于稳定 关键词:复合地层岩土体变形围岩稳定性数值模拟中图分类号:.文献标识码:引言城市地铁修建过程中开挖隧道会对地层围岩稳定性产生较大影响 其造成土层扰动引起岩土体变形地表沉降严重时会导致大面积坍塌事故国内外学者研究大量工程实践总结了多种隧道开挖引起地表沉降的方法如经验公式法、数值模拟法、理论解析法、物理模型法等 关于隧道沉降变形方面的研究刘宝琛等 介绍了预计近地表地下工程开挖引起地表移动及变形的随机介质方法并取得大量成果 白明州等研究了大断面地铁车站隧道应用 计算软件优化开挖施工方案模拟动态施工过程分析各施工步序暗挖车站周围土体的变形量和地面沉降量确定引起最大地面沉降量的施工步序 常翔基于搜集到的北京地区地质勘察资料采用数值分析软件建立已有地铁隧道的三维有限元模型计算分析隧道动态施工时地层以及既有地铁隧道沉降变形发展规律对比分析了注浆对地表和已有隧道变形的影响 马紫娟等以广州地铁 号线隧道的施工阶段为例运用数值模拟软件研究了隧道施工引起的地表沉降和底层移动取得了实用性研究成果 吴应明等 分别针对各城市地铁施工对地面沉降的影响进行了数值分析结合周围建筑物实际情况提出了隧道开挖流程合理设计并进行数值验证 刘波等采用 程序对隧道土体地层沉降进行数值模拟分析了盾构隧道施工引起的岩土体沉降对某购物中心基础的影响 并提出相应的治理措施文章以青岛地铁四号线静沙区间突涌水灾害事故为工程背景案例主要对上软下硬复合地层中单线隧道施工穿越不同地层类型引起的沉降变形进行研究通过有限元软件模拟开挖过程研究围岩土体和地表的沉降变形规律为工程建设提供技术参考 工程概况静沙区间为青岛地铁 号线位于青岛市崂山区静港路站至沙子口站间的在建盾构隧道区间起止里程().().全长.该隧道段由两个独立平行的隧道组成隧道间距.洞身主要穿越微风化凝灰岩层为级围岩围岩完整性较好 该区间主要采用盾构法施工局部受地质条件影响采用矿山法施工后盾构平推通过其中事故段采用矿山法施工 区间轨面埋深.拱顶覆土厚度.其中矿山法隧道洞顶中、微风化覆岩厚度 .开挖进尺 事故发生段位置在静沙区间左线硬岩段坍塌里程为 基本位于渔港路正下方上方无建构筑物 事故发生区域周边地势平坦 区间纵断面图如图 所示 年 第 期 北方交通图 静沙区间纵断面图 从图 可以看出隧道埋深约为.相对于隧道顶部的水位为 地层剖面包括素填土、粉质粘土、中粗砂、强风化凝灰岩、中风化凝灰岩和微风化凝灰岩 特别是强风化凝灰岩的厚度仅为.事故段位置在强风化凝灰岩与中风化凝灰岩之间该区域地层的各向异性和非均质性对隧道掘进过程中围岩的稳定性造成较大影响青岛地铁 号线静沙区间隧道洞身处穿越上软下硬地层主要穿越强风化凝灰岩、中风化凝灰岩及微风化凝灰岩组合的复合地层 隧道开挖过程中隧道穿越不同的岩层厚度比例时会使地层发生不同程度的变形 此外该区间存有大量地下水会使得岩质软化造成围岩强度下降同时地下水的渗流也对岩层的力学性质产生较大影响 数值模拟分析.模型参数模拟范围选取 区间建立数值计算模型 此区段施工工法为台阶法因此模拟工法为台阶法开挖并施作初支初支为 厚 喷射混凝土模型中的岩土层自上而下为 素填土、中粗砂、粉质粘土、强(中)(微)风化凝灰岩围岩等级为()级 计算模型以隧道洞口中心线为对称轴分别向左右延伸 前后方向取 厚度取 隧道洞口底部距离模型底部 隧道洞口顶部距离模型顶部.整个模型尺寸为 建立模型如图 所示该模型围岩采用摩尔 库伦本构模型构建 单元初期支护采用 板单元进行模拟锚杆部分采用 杆单元进行模拟模型各地层物理力学参图 隧道模型图数见表 表 隧道模型参数名称/(/)/(/)/(/)素填土.中、粗砂.粉质黏土.强风化凝灰岩.中风化凝灰岩.微风化凝灰岩.锚杆.混凝土.注:为弹性模量 为泊松比 为容重 为粘聚力 为内摩擦角.沉降曲线特征分析因隧道洞口所处的地层类型不同隧道上方围岩形成压力拱的范围也会有所不同 不同围岩的力学性质及稳定性的不同对地表沉降分布规律会产生较大的影响 从图 可知此次事故发生段地形较特殊主要是由中风化和强风化凝灰岩组成的漏斗状地貌且隧道施工过程中主要穿越微风化、中风化和强风化凝灰岩故模型将隧道洞口穿越的地层类型设定为微风化凝灰岩、中风化凝灰岩和强风化凝灰岩三种分别对其进行数值计算可得到隧道穿越北方交通 年 第 期不同地层类型时的地层纵向位移云图见图 图 隧道横断面沉降槽曲线见图、图 图 隧道穿越微风化凝灰岩位移云图图 隧道穿越中风化凝灰岩位移云图图 隧道穿越强风化凝灰岩位移云图图 隧道不同地层横断面沉降槽曲线通过围岩纵向位移云图和横断面沉降槽曲线可知随着隧道穿越的地层类型不同地层的弹性模量图 隧道不同地层沉降槽曲线局部放大图逐渐增大使得隧道围岩的竖向位移和地表沉降逐渐增大且围岩最大沉降值和最大隆起值均在隧道拱顶和拱底处沉降槽的形状均为“”型基本对称于隧道洞口中轴线由图 图 可知当地层类型由微风化凝灰岩变为中风化凝灰岩时围岩竖向位移有微小增加最大沉降值由.变为.最大隆起值由.变为.沉降槽曲线差别不大当地层类型由中风化凝灰岩变为强风化凝灰岩时隧道围岩的竖向位移和地表沉降急剧增大最大沉降值由.变为.最大隆起值由 变为.而从纵断面地形图可以看出事故段隧道洞口上半段刚好处于强风化凝灰岩风化程度较高围岩中存在大量间断面地层的力学性质会严重退化 由此可判断地形因素是发生此次灾害的原因之一与实际情况相符从图、图 可以看出地层类型由强风化凝灰岩变为中风化凝灰岩时地表最大沉降量减小的速率最大地层类型由中风化凝灰岩变为微风化凝灰岩时地表最大沉降量有微小的减少在 以内变化较小 强风化凝灰岩和中风化凝灰岩、微风化凝灰岩相比弹性模量参数相差较大隧道穿越的地层逐渐从较坚硬岩进入全硬岩地层围岩稳定性较好隧道开挖对上覆土层的扰动逐渐减小使得地表沉降逐渐减小并趋于稳定而中风化凝灰岩和微风化凝灰岩两类土层的物理力学参数相差不大故未对地表沉降产生过大影响 结论()地形因素是影响地表沉降的因素之一隧 年 第 期 王青松等:青岛上软下硬复合地层隧道开挖变形规律研究道顶部至地表之间存在大量的素填软土、沙土和粉土等松散软弱地层加上水位较高含水量丰富软弱土层在水的作用下增加了流动性同时隧道洞身处穿越不同的岩层或不同的岩层厚度比例时会使地层发生不同程度的变形()围岩力学性质直接影响隧道开挖对周边环境的扰动效果 围岩从强风化凝灰岩变为中风化凝灰岩和微风化凝灰岩时隧道最大位移值分别从.变为.和.这说明土层类型由较坚硬岩变为全坚硬岩围岩稳定性逐渐变好隧道开挖对土层的扰动减小地表沉降相应逐渐减小并趋于稳定参考文献 唐益群叶为民张庆贺.上海地铁盾构施工引起地面沉降的分析研究(三).地下空间():.李维何川张志强.大型地下结构下修建盾构隧道模型试验.西南交通大学学报():.陈利杰张晓平刘华斌等.城市浅埋软岩隧道施工沉降分析及对策.工程地质学报():.刘宝琛张家生.近地表开挖引起的地表沉降的随机介质方法.岩石力学与工程学报():.阳军生刘宝琛.城市隧道施工引起的地表移动及变形.北京:中国铁道出版社.白明洲许兆义时静等.复杂地质条件下浅埋暗挖地铁车站施工期地面沉降量 ()分析.岩石力学与工程学报():.常翔.地铁车站近接正交下穿既有地铁隧道的变形分析.现代隧道技术():.马紫娟王李管刘红兵.土压平衡盾构双线隧道施工引起的地表沉降规律研究.石家庄铁道学院学报(自然科学版)():.吴应明.深圳地铁区间浅埋暗挖隧道施工与沉降控制.铁道建筑技术():.朱永信.崇文门站施工允许地表沉降分析及施工措施.铁道建筑技术():.杨福麟刘永林胡斌.武汉地铁隧道开挖引起地表沉降的数值模拟研究.工程地质学报():.刘波叶圣国陶龙光等.地铁盾构施工引起邻近基础沉降的 数值模拟.煤炭科学技术():.(.).北方交通 年 第 期