大断面浅埋地铁施工对地表影响的模型试验.pdf

收稿日期2010 －09 －21 作者简介孟凡磊 1985 － ，男，山东济南人。助理工程师，主 要从事 道 路 与 桥 梁 工 程 设 计 与 研 究 工 作。E- mail banjiaoshi yeay． net。 大断面浅埋地铁施工对地表影响的模型试验 孟凡磊 1，张 东 1，童建军2 1． 山东省交通设计规划院，济南250031;2． 西南交通大学峨眉校区，四川峨眉山 614200 摘要以广州地铁站前停车线为工程背景，通过室内大比例相似模型试验，结合数值模拟计 算，研究大断面浅埋地铁在上下台阶法不同开挖步骤中产生的洞周位移、地表和地层的位移响应。结 果表明通过相应的辅助工法和合理的施工工序，台阶法能有效控制上台阶开挖引起的洞周位移和地 表沉降，从而控制整个隧道开挖对周边环境的影响，保证隧道快速、安全施工。 关键词地铁;台阶法;地表位移;地层位移;洞周位移 中图分类号TU411. 93文献标志码A 文章编号1003 －8825 2011 05 －0100 －03 1工程背景 模型试验以广州地铁站前停车线为工程背景。此 段为大断面浅埋暗挖段，断面面积 41 ～170 m2，穿越 两层建筑物，埋深 20 m，采用上下台阶法施工，上断 面环形开挖，留核心土，拱部施作  42 mm 超前注浆 小导管，支护参数为  22 mm 砂浆锚杆、钢筋网、格 栅钢架、C25 喷射混凝土、防水层、C30 钢筋混凝土， 上下台阶均设  42 mm 锁脚锚管。上覆地层由上而下 主要为粉细砂、全风化、中风化和微风化粉砂质泥岩。 地铁穿越最下面两层，地下水丰富，围岩参数见表1。 表 1围岩参数 围岩类别 弹模 /MPa 内摩擦角 / 粘聚力 /kPa 泊松比 抗压强度 /kPa 容重 / kNm－3 粉细砂7. 56280. 3510019. 0 粉砂质 泥岩 全风化 70. 0024400. 30 100021. 0 中风化 75. 00381000. 28 850024. 8 微风化 86. 00405000. 2711820 25. 1 2相似比 采用几何相似比为 CL 25 的大比例模型试验， 容重相似比采用 Cγ 1. 4，以此为基础，实现在弹性 范围内各控制性力学参数的近似相似 ［1 ］，见表 2。 表 2物理力学参数的相似比 名称比例名称比例 长度相似比 CL 1∶25容重相似比 Cγ1∶1. 4 位移相似比 Cδ 1∶25泊松比相似比 Cμ1∶ 1 应力相似比 Cσ 1∶35内摩擦角相似比 Cφ1∶ 1 粘聚力相似比 Cc 1∶35弹模相似比 CE1∶ 35 3试验装置 采用平面应力立式模型试验台，尺寸为 2. 5 m 1. 8 m 0. 3 m，见图 1。地表、地层和洞周位移测量 共布置 20 个测点，同一水平面内相邻测点距离 20 cm，具体测点布置见图 2［2 ］。考虑地铁上方为两层建 筑物荷载，采用河砂 γ 29. 5 kN/m3堆载模拟， 计算堆载厚度为 48. 3 mm。 图 1试验装置示意 图 2沉降监测点布置 001 路 基 工 程 Subgrade Engineering2011 年第 5 期 总第 158 期 4试验材料 4. 1围岩 本次试验以抗压强度相似为主，摩擦角和粘聚力 相似为辅，根据表 1 和表 2，经过试验选取合适的材 料配合比 ［3， 4 ］，见表 3。 表 3围岩相似材料的配合比 重量比 围岩类别石膏碳酸钙河砂水锯末 粉细砂3712024. 04 粉砂质 泥岩 强风化3712024. 0 中风化37307. 2 微风化736012. 0 4. 2锚杆［5 －7 ］ 锚杆采用直径为2 mm 的铝丝 E 6.69 109Pa ， 通过原型与模型的等效抗拉刚度 EA 完全相似的方法 进行模拟。铝丝在使用前用环氧树脂作胶结剂并沿杆 长粘一层细粒石英砂，采用钻孔埋入设计位置。 4. 3初期支护喷射混凝土［5， 6 ］ 通过涂抹一定厚度的石膏浆来模拟喷射混凝土。 初期支护和临时支护均采用 C25 混凝土，厚度为 300 mm 和 100 mm，模拟的石膏浆厚度分别为 12 mm 和 4 mm，水膏比为 1∶ 1。 5试验数据 根据试验实测数据，地表、地层和拱顶监测点随 着开挖的不同阶段沉降量见表 4，沉降量曲线见图 3 和图 4。 表 4沉降量统计 mm 开挖位置 至线路中线距离/m －10－50510 地表 上台阶－9. 33－12. 03－13. 38－12. 28－9. 58 下台阶－13. 81－17. 66－19. 53－17. 91－14. 05 地层 1 上台阶－9. 95－15. 05－18. 41－15. 30－10. 20 下台阶－14. 30－21. 27－25. 37－21. 52－14. 55 地层 2 上台阶－9. 45－16. 79－23. 51－17. 04－9. 70 下台阶－13. 18－23. 13－30. 47－23. 38－13. 43 拱顶 上台阶－6. 34－16. 67－39. 93－16. 92－6. 59 下台阶－8. 83－20. 15－46. 14－20. 40－9. 08 图 3上台阶开挖结束时沉降曲线 图 4下台阶开挖结束时沉降曲线 1地表最大沉降值为 19. 53 mm，地层 1 最大 沉降值为25. 37 mm，地层2 最大沉降值为30. 47 mm， 拱顶最大收敛位移为 46. 14 mm，均位于隧道中心处。 2各测点从隧道中心处向两侧，沉降量逐渐 减小;拱顶沉降量从隧道中线向两侧降低最快;地表 沉降量在各个监测点上变化较小，但沉降范围较大， 经相似比换算，沉降槽宽度距隧道中线约 19 m 的 距离。 3通过计算各测点上台阶开挖后的沉降量占 下台阶开挖后 即全部开挖完后总沉降量的比值 发现，地表沉降量的比值是 67 ～ 69 ;地层 1 沉 降量的比值是 69 ～72 ;地层 2 沉降量的比值是 71 ～78 ;拱顶沉降量的比值 71 ～87 。 6数值模拟 6. 1计算模型及参数 采用三维模型计算，隧道顶部以上覆土为 20 m， 隧道底部以下为 35 m，模型宽度两边各取 30 m，纵 向延伸 13 m，左右边界约束水平位移，下边界约束 竖向位移，上边界为自由边界 ［8， 9 ］。初期支护厚度取 30 cm，临时支撑厚度取 10 cm，荷载等效成面状荷载 为 50 kN/m，计算参数具体见表 5。 表 5围岩及支护参数表 项目 弹模 E /MPa 泊松比 υ 粘聚力 c /kPa 内摩擦角 / 密度 / gcm －3 人工填土2. 770. 3810. 012. 01. 80 淤泥质土4. 970. 384. 77. 21. 65 粉细砂7. 560. 350. 028. 01. 90 全风化泥岩52. 400. 3130. 022. 01. 99 强风化泥岩84. 000. 2850. 025. 02. 10 中风化泥岩70. 000. 27100. 038. 02. 48 微风化泥岩86. 000. 27500. 0402. 51 初期支护1000. 000. 202. 50 临时支护1000. 000. 202. 50 二次衬砌12000. 000. 202. 50 6. 2计算结果 将数值模拟的最终沉降量与模型试验比较，见 表 6。 101孟凡磊，等大断面浅埋地铁施工对地表影响的模型试验 表 6沉降量对比 mm 位置计算方法 至线路中心距离/m －10－50510 地表 数值计算－11. 55－14. 76－16. 31－14. 96－11. 76 模型试验－13. 81－17. 66－19. 53－17. 91－14. 05 差值2. 262. 903. 222. 952. 29 地层 1 数值计算－11. 96－17. 85－21. 23－18. 06－12. 21 模型试验－14. 30－21. 27－25. 37－21. 52－14. 55 差值2. 343. 424. 143. 462. 34 地层 2 数值计算－11. 06－19. 35－25. 47－19. 62－11. 24 模型试验－13. 18－23. 13－30. 47－23. 38－13. 43 差值2. 123. 785. 003. 762. 19 拱顶 数值计算－7. 44－16. 92－38. 72－17. 24－7. 62 模型试验－8. 83－20. 15－46. 14－20. 40－9. 08 差值1. 393. 237. 423. 161. 46 由表 6 对比可知模型试验所得的沉降值比数值 计算所得到的沉降值大，但差别在 15 ～ 20 之 间，这说明数值计算和模型试验吻合得比较好。 7结论 以广州地铁站前停车线为工程背景，采用室内大 比例相似模型试验，结合数值模拟计算得出以下 结论 1各沉降量曲线符合隧道开挖引起的地层位 移响应规律; 2各测点上台阶开挖后的沉降量占下台阶开挖 后 即全部开挖完总沉降量的比值为 60 ～80 ， 即上台阶的开挖对围岩扰动最大，是隧道施工中最危 险的一道工序。因此，施工中应特别重视控制上台阶 开挖循环进尺状况，及时支护并加强监控量测; 3地表最大沉降值为19. 53 mm，控制在30. 00 mm 内;洞周最大收敛位移为 46. 14 mm，控制在 50. 00 mm 内。采用台阶法施工，可以合理控制地表 沉降，减小对周边环境的影响 ［10， 11 ］; 4数值模拟结果与模型试验结果，两者吻合 较好。 参考文献 ［ 1］ 袁文忠． 相似理论与静力学模型试验 ［M］． 成都西南交通大学出版 社，1997． ［ 2］ 夏才初，李永盛． 地下工程测试理论与监测技术 ［M］． 上海同济大 学出版社，1999． ［ 3］ 黄伦海，等． 单洞四车道公路隧道开挖的模型试验 ［J］． 地下空间， 2004，24 4465 －474． ［ 4］ 李围，等． 大型地下结构下修建盾构隧道模型试验 ［J］． 西南交通大学 学报，2008，40 4 478 －483． ［ 5］ 兰宇． 高速公路隧道维护加固对策的模型试验研究 ［D］． 西南交通大学 硕士学位论文，2005． ［ 6］ 田志宇． 公路小净距隧道相似模型试验研究 ［D］． 西南交通大学硕士 学位论文，2006． ［ 7］ 曹磊，李俊松． 小净距大跨度城市隧道施工风险控制 ［J］． 路基工程， 2010 1 158 －160． ［ 8］ 李国． 隧道及地下工程 FLAC 解析方法 ［M］． 北京中国水利水电出 版社，2009． ［ 9］ 刘波，韩彦辉． FLAC 原理、实例与应用指南 ［M］． 北京人民交通出 版社，2005． ［ 10］ 阳军生，刘宝琛． 城市隧道施工引起的地表移动及变形 ［M］． 北京 中国铁道出版社，2002． ［ 11］吴波． 浅埋暗挖法隧道施工沉降控制基准分析及应用 ［J］． 世界隧道， 2002 增 ． Model Test on Ground Surface Impact Caused by Large- section Shallow- buried Metro Construction MENG Fan- lei1，ZHANG Dong1，TONG Jian- jun2 1． Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute，Jinan 250031，China; 2． Southwest Jiaotong University E’ mei Campus，E’ mei Mountain 614200，Sichuan，China AbstractTaking stop line engineering of Guangzhou Metro Station for example，through similar indoor large- scale model test，combined with numerical simulation，the convergence of tunnel perimeter，displacement response of ground surface and stratum during excavation of large- section shallow- buried metro by benching tunneling are studied． The results show that through the corresponding auxiliary construction and reasonable construction procedures，benching tunneling can effectively control convergence of tunnel perimeter and ground surface settlement caused by upper bench excavation， and thus reduces the impact on ambient environment to ensure rapid and safe construction． Key wordsmetro;bench ;ground surface displacement;stratum displacement;convergence of tunnel perimeter 201 路 基 工 程 Subgrade Engineering2011 年第 5 期 总第 158 期