隧道浅埋段暗挖法施工引起的地表沉降分析.pdf

第 3 0卷第 1 1 期 V0 I _30 No 11 企业 技术开发 TECHNOL OGI CAL DEVELOP M ENT OF ENTERPRI S E 2 0 1 1 年 6月 J u n 2 0 1 1 隧道浅埋段暗挖法施工引起的地表沉降分析 鄢定媛，李圆圆 ，向俊字(1 怀通 高速公 路建设 开发有 限公 司，湖南 怀化 4 1 8 1 1 6；2 衡桂高速公路建设开发有限公司，湖南 衡 阳 4 1 3 0 0 0；3 湖南省交 通科 学研究院，湖南 长沙 4 1 0 0 0 7)摘要：文章结合具体工程，从解析和数值分析角度对隧道浅埋段 暗挖法施工引起 的地表沉降分析进行 了分析。研 究成 果可为地表沉降控 制提供技术参考。关键词：具体 工程；解析解；数值 分析；隧道；沉降；参考 中图分类号：U 4 5 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 6 8 9 3 7(2 0 1 1)1 1 0 0 5 3 0 4 S u r f a c e s e t t l e me n t c a u s e d b y e x c a v i n g i n s h a l l o w l a y e r t u n n e l Y AN D i n g-y u a n ，L I Yu a n-y u a n 2,XI ANG J u n y u (1 Hu a i t o n g D e v e l o p me n t L t d o f E x p r e s s，Hu a i h u a，H u n a n 4 1 8 1 1 6，C h i n a；2 H e n g g u i D e v e l o p m e n t L t d o f E x p r e s s，He n g y a n g，Hu n a n 4 1 3 0 0 0，C h i n a；3 H u n a n R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C o m m u n i c a t i o n，C h a n g s h a，Hu n a n 4 1 0 0 0 7，C h i n a)Ab s t r a c t：C o mb i n e d wi t h a r e a l c a s e，a n d wi t h t h e o r e t i c a l a n d n u me ric al s i mu l a t i o n，s u r f a c e s e t t l e me n t c a u s e d b y e x c a v i n g i n s h a l l o w l a y e r t u n n e l i s i n f e r r e d i n t h i s p a p e r t h e a n a l y s i s r e s u l t s wi l l p r o v i d e s o me u s e f u l t e c h n i c a l r e f e r e n c e f o r s u r f a c e s e t t l e me n t c o n t r o 1 Ke y wo r d s：c a s e；t h e o r e t i c a l s o l u t i o n；n u me r i c a l s i mu l a t i o n；t u n n e l；s e t t l e me n t；c o n t r o l 地下工程施工不可避免地对岩土体产生扰动，岩土 体变形 可能造成 地下设施 的损害 和影 响地 表建筑 物 的 安全。为减少由于隧道施工而引起 的不 良影 响，需 要对 岩土体变形与地表移动进行分析研究和正确的预计。本文研究的重点就是地表沉降的大小和分布方式。1 地表沉降的主要影响因素分析 在浅埋暗挖隧道施工 中，导致地 表沉降 的主要影响 因素 有地 下水、地 层土体、隧道施 工方 法、地层 应力 释 放、结构类型和埋深的影 响、施工进度、衬砌类型等。2 地表沉降预计方法分析 导致地表沉降的因素有很多，地表沉降大小不仅与 隧道 的埋深、断 面尺 寸和施 工方 法、支护方式有关，还受 地层条件的影 响。目前为止，许多学者进行了研究。形成 了地表 沉降预计 很多方法，主要有 经验公式 法、数 值模 拟法模 型试验方法和随机介质法等。2 1 数值模拟 法 目前地表沉 降数值计 算方法有限单元法、有 限差分 法、边界元法等几种。随着计算机的发展其应用，有限元 法和边界元 法尤为广泛。基于三维快速拉格朗 日方法开 发的有 限差 分程序分析软件 F L A C o 是一种 比较好 的方 法，是研究隧道开挖非常实用的工具。2 2 经验公式 法 1 9 6 9 年，P e c k 根据实测资料(大部分为隧道开挖施 工引起的地表沉降)，较系统地提出了即P e c k 公式，用于 收稿日期：2 0 1 1 0 3 0 9 作者简介：鄢定媛(1 9 7 5 一)，男，河南信阳人，大学本科，工程师，主要 从事土木工程技术管理工作 l，f s(x)=s e x p(一 X2)(1)s V i 酉 V i(2)5 4 企 业 技 术 开 发 2 0 1 1 年6 月 2 3 随机 介质理论分析 根据统计 观点，可将整个开挖 区域 分解 成无限多个 无 限小 的区域。无限小开挖对地层影响 的总和可以视 为 整个开挖对地层的影响。因此开挖 的许 多无限小微 元开 挖 的影 响总和等 同于 隧道 开挖对地层 的影响。因此，将 厚度、长度和宽度 为无 限小的开挖定 义为图 2的开挖单 元 d 毫 c 卜 n，其中心距 离地表深度为 H。U 图 2 开挖 单元体 单元 开挖引起 的地 层下沉 盆地 定义 为单元下 沉盆 地单元 引起 的下沉用表示 We(X，Y，Z)。地层 开挖单元 体积 d 等于等于最终沉降盆地的体积。因此，在均 匀各向同性的岩土体中，因单元开挖导致地层 z处沉降 盆地 的最终表达为：W e(x，Y Z)=e x p【南(x +Y 2Y J(3)式 中：r(Z)=Z t a n 3；1 3 为地层 主要影响角。单元 开挖沿 Y轴视为为无限长，按平 面应 变问题考 虑，对式(3)进行积分得：W e(x)ex p l x Jd d-q (4)图 3 隧道 开挖示意 图 显然这是一平面轴对称应 变问题。如 图 3 所示，从 地下开挖断面的中心到地表深度，图中对于开挖单元岩 土体采用坐标，O n 对于地表面则采用坐标系统 X O Y。则经过长时间后，隧道产生变形，一旦隧道全部塌落，就 会引起地表 的最大下沉。由于单元开挖 d 专 的影 响，根 据式(4)可 知，在距离单 元 中心 为 x的地表最终 下沉值 We(X)变成：W e(X)=e x p 南 d d (5)应用叠加原理将式 r(z)=Z t a n 带 入(5)式，得到此 时的地表下沉值为：w(X)：盟 1 1 e x p l _ (x-11(6)【-I J 设 隧道 开挖初 始断面 为 Q，隧道 施工 完成后，断 面 由n收缩为。地表下沉应当等于 Q引起的的下沉与 引起 的地表下沉之差，根据叠加原理，可得：w(x)=Wa(X)一 W o(X)：半 唧 卜 c x 一 令 唧1_(x 】(8)则公式(7)可 以简写为：w(x)_0【0(x，-q)d 毛 (9)n 假设隧道初始半径为 A，中心距地表深度为，对于近 似 圆形或 圆形 断面隧道(见 图 4)隧道建 成后，假设 隧道 断面为均匀变形和收缩，即断面半径均匀收缩 了 A，根 据公式(9)可得得到地表 的下沉值 w(x)为：t D r d，I r 11 w(x)=J J(I)(x，垂，1 1)d 专 一 J J(I)(x，专，-q)d 专 d 1 1 J a J c J e J z(1 0)式 中：a=H A；b=H+A；c：一、；d=一 c；e=H一(A A A)；f=H+(A A A)；g=一 ；h=一 g。图 4 圆形断面隧道 开挖示意 图 3 大跨度隧道浅埋段地表沉降分析 3 1 现场监控量测 在充分考虑实际地形条件的基础上，在隧道浅埋段 共布置了四个监测断面用于地表沉降检测，其中江西进 5 6 企业技术开 发 2 0 1 1 年6月 图 l 1 隧道贯通 后 I 一 2断面竖 向位移图 表 3 某 隧道广 东端 I _ 2断面地表沉 降三维数值模 拟值 晏 捌 世 4 结 语 将表 3中的地表沉降量值绘制 成地表下沉 曲线，见 图 l 2、图 1 3。3 4结果分析 由表 1、2和 3中地 表 沉降数 据及地 表 下沉 曲线 图 1 2和 1 3 可以看出，随机介质理论计算值预计地表下沉 量与实测结果较 为相符，而数值模拟结 果与实测结果及 随机介质理论计算值存在一定的差距，但用于预计浅埋 隧道暗挖法施 工所产生的沉降趋势。艟峙1 2 3 4 5 6 7 8 9 图 1 3 GK5 7+6 9 6地表下沉 曲线 本文 阐述 了几种 的地 表沉降 主要 影 响 因素，并用不 同方法分析 了某隧道洞 口 段 的地表沉降。通过分析，得出如下结论：隧道上台阶施工时，由于开挖的扰 动影 响，导致围岩较差产生较大变形，需要进行地层预加 固。在加 固的基础上，提高围岩 的整体稳定性，以确保施 工安 全。，隧道监控量测可以反映开挖的扰动效应，进而推 断出浅埋隧道不同施工过程中的安全状态。因此，监控量 测，可以为隧道高效、合理、安全施工提供保障。从监控量测和理论分析结果对比分析来看，采用 随机介质理论及数值模拟进行预测，并结合实测结果进 行分析，可以得到较为合适 的结果，可 为浅埋隧道暗挖法 施工工法 的选择及优化提供依据。参考 文献：1 1 李圆圆 大跨度隧道施工力学响应及地表沉陷预计 D】长 沙：中南大学，2 0 0 8 2 向俊宇 大跨度隧道监控量测及动态反馈信息化施工技 术研究 D1 长沙：中南大学，2 0 0 9 0 抛 如蚰 钟 加 鲫 加 加 柏 如