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

(1.中铁二十局集团有限公司 西安市 710016;2.中国铁建高原隧道施工技术及装备研发中心 西安市 710016;3.青岛理工大学 青岛市 266520)

0 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[1-3]。关于隧道沉降变形方面的研究,刘宝琛等[4-5]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[6]研究了大断面地铁车站隧道,应用FLAC3D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[7]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[8]以广州地铁3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[9-11]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[12]采用FLAC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。

1 工程概况

静沙区间为青岛地铁4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(Z)YDK24+739.4～(Z)YDK25+879.0,全长1139.6m。该隧道段由两个独立平行的隧道组成,隧道间距13.8m,洞身主要穿越微风化凝灰岩层,为Ⅲ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15.0～33.3m,拱顶覆土厚度9.5～27.8m,其中矿山法隧道洞顶中、微风化覆岩厚度0～24.0m,开挖进尺3～5m。

事故发生段位置在静沙区间左线硬岩段,坍塌里程为ZDK25+343,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1所示。

图1 静沙区间纵断面图

从图1可以看出,隧道埋深约为19.8m,相对于隧道顶部的水位为19m。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0.6 m。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4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。

2 数值模拟分析

2.1 模型参数

模拟范围选取ZDK25+313～ZDK25+373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300mm厚C25喷射混凝土。

模型中的岩土层自上而下为6m素填土、8m中粗砂、4m粉质粘土、42m强(中)(微)风化凝灰岩,围岩等级为V(Ⅲ)级。计算模型以隧道洞口中心线为对称轴分别向左右延伸40m,前后方向取60m,厚度取60m,隧道洞口底部距离模型底部30m,隧道洞口顶部距离模型顶部22.2m,整个模型尺寸为80m×60m×60m。建立模型如图2所示。

图2 隧道模型图

该模型围岩采用摩尔-库伦本构模型构建3D单元,初期支护采用2D板单元进行模拟,锚杆部分采用1D杆单元进行模拟,模型各地层物理力学参数见表1。

表1 隧道模型参数

2.2 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1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,可得到隧道穿越不同地层类型时的地层纵向位移云图,见图3～图5。隧道横断面沉降槽曲线见图6、图7。

图3 隧道穿越微风化凝灰岩位移云图

图4 隧道穿越中风化凝灰岩位移云图

图5 隧道穿越强风化凝灰岩位移云图

图6 隧道不同地层横断面沉降槽曲线

图7 隧道不同地层沉降槽曲线局部放大图

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“U”型,基本对称于隧道洞口中轴线。

由图3～图5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0.20mm变为0.80mm,最大隆起值由0.14mm变为0.52mm,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0.80mm变为61.08mm,最大隆起值由0.52mm变为52.12mm。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6、图7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1mm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。

3 结论

(1)地形因素是影响地表沉降的因素之一,隧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。

(2)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61.08mm变为0.8mm和0.2mm,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。