城市地下通道施工监测与数值模拟分析

摘要:本文以城市地下通道施工进行施工动态监测数据分析和对施工中代表性断面的平面数值模拟分析为手段,通过对地表沉降的横向和纵向曲线进行分析同时结合数值模拟结果,得出结论:地表沉降值应作为城市浅埋型地下通道施工中围岩稳定安全的控制性指标。

关键词:地下通道;监控量测;数据分析

1、引言

地下隧道在开挖过程中,由于地层的损失及地下水位的变化,导致开挖区域自洞室临空面向地层深处一定范围内地层应力发生调整和变化,造成地表及建筑物的沉降和位移[1]。当地表移动和变形超过一定的限度时就会影响隧道或地表建筑物的安全和正常使用。尤其是城市地下隧道,一般都修建在城市中心地带,隧道周围建筑物密集、地下管网密布,地质情况比较复杂,而且地面来往行人较多、交通繁忙,所以对隧道的设计施工及对周边环境的控制要求更加严格[2]。本文对大连五惠路地下通道开挖过所取得的监测数据进行了分析研究,获得了隧道洞体稳定性的动态信息用以指导施工,保证施工的安全有效的进展。

2、工程概况

该工程采用浅埋暗挖法进行主通道施工。是国内少有的在不影响地面交通情况下进行施工的城市地下工程。主通道部分:全长88.2米,包括从相交点向川王府酒店方向通道长40.9米,净宽6.0米;从相交点向五惠路南侧方向通道长47.3米,净宽6.0米;根据电缆隧道埋置深度和隧道施工条件,通道顶最大覆土高度按5.35米进行控制。工程场地属剥蚀残丘缓坡地带。地势较平坦,地面标高变化在25.76～26.98m,根据钻探揭露,场地地层自上而下为:杂填土(层厚3.4-5.4m),粉质粘土(层厚1.6-4.0m),粉质粘土混碎石(层厚2.0-2.6m),基岩(由岩面向下有强风化带和中风化带)。勘察资料显示,在钻探深度内仅有少量地下水,其主要来源为大气降水。根据《公路工程地质勘察规范》(JTJ064-98)及《公路隧道设计规范》(JTJ D70-2004)中的隧道围岩分级的有关规定,综合考虑隧道埋深和地上交通对围岩的扰动等工程地质条件及岩土体物理力学性质诸要素,确定隧道围岩为V级围岩。

3、现场监测方案

考虑到该工程位于市中心地段,车流量大,施工时不能影响正常交通,而且通道埋深浅,所以监测内容以路面沉降为主,其他辅助进行净空收敛监测以及地质超前预报。地面沉降监测南北共6条侧线,每天测线5个监测点(如图1)。

3、监测结果分析

由于篇幅所限,现对南侧施工段洞口断面XN-1#监测数据分析:

3.1纵向地表沉降分析

地表沉降监测频率为一天一测,其纵向监测结果如图2所示。

通过图2监测曲线结合现场施工情况对此次检监测数据进行分析如下分析:

1)由于工期紧,在Ⅰ开挖后马上完成工字钢拱架的施工然后就进行Ⅱ开挖,所以在隧道开挖的初期造成沉降速度较大,断面的最大沉降速度分别达到了2.6mm/d,且沉降速度大于零持续时间长,这一时期沉降量占总沉降量50%-80%,之后随着注浆注浆小导管、钢筋网、素喷混凝土等支护的及时施工路面沉降得到了很好的控制;

2)根据勘查资料和基坑开挖土层显示,开挖通道内的上覆土层都是杂填土而且施工期间正好处于大连雨季期,降水量较多,因此降雨必然会导致地面沉降量的突然增加,给地下施工和路面行车都带来了安全隐患;

3)工程勘察资料显示在开挖深度内仅有少量地下水,但是在南侧洞内掘进时,发现出地下水量较大,初步断定为地下水囊,因此在施工时及时加强了支护和降水措施,通过南侧XS-1#测线的沉降曲线可以看出,当加强了支护措施以后地面沉降量明显以趋于稳定。

3.2 横向地表沉降分析

1969年墨西哥学者Peck[3]和英国学者Sehni-idt[4]通过分析大量沉降实测资料并进行概率统计计算,首先提出地表沉降槽近似呈现正态分布的概念。地层移动是地层损失引起的,并认为施工引起的地表沉降是在不排水条件下发生的,所以沉降槽的体积等于地层损失的体积。

图3为XS-1#断面各个测点的最终沉降量,从图中可以看到沉降槽曲线近似为正态曲线,最大沉降量位于隧道轴线位置,且各截面最大沉降量为:21.4mm,小于沉降监测警戒值30mm,说明虽然该断面有不明地下水囊影响,但是由于加强了超前小导管注浆量等措施有效的减小了地下水对地表沉降的影响。

4、XS-1#断面开挖数值模拟

为了进一步验证施工现场的实测结论,对隧道围岩的受力变形规律进行分析,本文根据根据工程地质勘查资料,按照实际施工的开挖状况,采用FLAC/2D数值软件对,XS-1#断面进行了平面数值模拟。

4.1 计算模型

由于通道长度远大于其横断面的高度和宽度,故采用平面应变模型来分析。计算区域的确定应考虑到计算的准确性与计算时准备工程的均衡。本次模型设计中,以隧道开挖和支护不波及模型边界为基本原则。这样既可保证数据可靠,又减少了计算工作量。在影响范围的估计上,近似取均匀线弹性介质中小圆孔应力集中问题中在双向受等压弹性薄板内,半径为a的小圆孔周围应力变化规律来估算。

经过选取几个模型试算得知,计算区域的边界到隧道周边的距离大于3倍隧道最大跨度后,由于计算区域的大小而引起的计算误差可忽略。所以,取模型的尺寸为64×39m。

数值模拟采用非线性弹塑性有限元方法进行,选用Mohr-Coulomb准则作为土体的屈服准则建立有限元模型,如图4所示。

4.2 数值模拟的物理力学参数

该工程南侧开挖段上方的围岩根据勘测单位提供的地质资料以及对现场的实际观察,从上到下依次是:回填土层、粘土层强风化岩层、中风化岩层。数值计算所采用围岩的物理力学参数如表1所示。

4.3 模拟结果分析

从模拟结果看,在现有支护条件下隧道在开挖过程中的稳定性是可以保证的,由图6 XS-1#断面地表沉降槽曲线计算结果与监测的对比可以看出,两条曲线均近似于正态分布曲线。无论在变化规律上还是最大值上都有很好的吻合,说明应用FLAC有限差分法对通道的数值模拟,可以很好的反映开挖对地表沉降的影响。

5、结论

通过对大连某地下通道工程现场监测数据的分析同时结合FLAC有限差数值软件采用应力释放法对XS-2#断面进行了开挖数值模拟,通过现场监测和数值模拟结果的对比可以得出以下结论:

1)在雨季施工过程中,应该高度注意降雨对地表沉降的影响,特别是对于回填土较多的地区,降雨时增加监测频率,施工人员和监测人员24小时不离现场,及时抽排通道内积水,等等措施都可以有效的消除降雨所带来的潜在危险;

2)通过数值模拟结果与现场监测结果的对比分析可以看出,当地表最大沉降量略大于警戒值时无论从施工现场观测还是数值模拟中最大不平衡力的收敛性来看,都可以证明此时隧道围岩并没有发生失稳情况。

参考文献(References):

[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖通论[M].合肥:安徽教育出版社, 2004.

[2]刘招伟,赵运臣.城市地下施工监测与信息反馈技术[M].北京:科学出版社,2006.

[3]PECK R B.Deep excavation and tunneling in soft ground[C]//Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Mexico:[s.n.],1969:225–290.

[4]SCHMIDT B.Settlements and ground movements associated with,tunneling in soils[Ph.D.Thesis][D].[S.l.]:University of Illinois,1969.