地质力学学报  2012, Vol. 18 Issue (4): 451-456
引用本文
苏仲杰, 赵松, 杨逾, 周小科, 刘晶晶. 人防隧道双侧扩挖对地表的影响[J]. 地质力学学报, 2012, 18(4): 451-456.
SU Zhong-jie, ZHAO Song, YANG Yu, ZHOU Xiao-ke, LIU Jing-jing. THE EFFECT OF CRD METHOD OF CIVIL AIR DEFENSE TUNNEL ON THE SURFACE[J]. Journal of Geomechanics, 2012, 18(4): 451-456.
人防隧道双侧扩挖对地表的影响
苏仲杰 , 赵松 , 杨逾 , 周小科 , 刘晶晶     
辽宁工程技术大学土木与交通学院, 辽宁 阜新 123000
摘要:在监测数据的基础上,运用Matlab等软件,结合矿业开采沉陷理论,针对隧道双侧扩挖对地表的影响进行了初步研究,得到了隧道双侧扩挖对地表的影响范围。提出了沉降曲线拐点的概念及其特征,区分了沉降变化的低速区和高速区,为今后既有隧道扩挖的施工和监测设计提供了依据。
关键词既有隧道    双侧扩挖    Matlab软件    开采沉陷    拐点    
THE EFFECT OF CRD METHOD OF CIVIL AIR DEFENSE TUNNEL ON THE SURFACE
SU Zhong-jie , ZHAO Song , YANG Yu , ZHOU Xiao-ke , LIU Jing-jing     
Institute of Civil Engineering and Transportation, Liaoning Technology University, Fuxin 123000, China
Abstract: This paper made a preliminary study on the effect of CRD method of civil air defense tunnel on the surface based on the monitoring data, the Matlab software and the mining subsidence theory. The impacted zone was confirmed. The settlement curve's inflection point and its characteristics were found. The lower velocity zone and higher velocity zone of settlement variation were distinguished. These achievements could be referenced for the design of relevant construction and monitoring of the old tunnels.
Key words: old tunnel    CRD method    Matlab software    mining subsidence    inflection point    
0 引言

城市交通压力不断增加,地铁已经成为给城市减负的重要措施,而各地复杂的地质和施工环境无疑是地铁施工的严峻挑战。国内外学者对此做了大量的研究,包括工程建设对既有隧道的影响、不同工况对围岩及地表变形的影响以及隧道变形的监测技术等[1~4]。但是对人防隧道改造为地铁隧道的分析较少,杨峥[5]基于数值模拟进行了单边扩挖支护结构的应力分析,但缺少对围岩和地表实际变形的系统分析。

人防隧道改造为地铁隧道工程分为单侧扩挖法(CD工法)和双侧扩挖法(CRD工法)。本文基于哈尔滨7381人防隧道改造为地铁隧道的双侧扩挖段工程实例,通过对地表变形的系统监测,利用Matlab等软件,结合矿业开采沉陷理论,得到了相应的变形规律,为隧道支护、施工组织、位移监测和周围建筑物的保护积累了经验。

1 工程概况

哈尔滨地铁一期土建工程七标位于该市南岗区,从铁路局站至工程大学站,共3站4区间。其中大部分为7381人防隧道改造段,包括单侧扩挖段和双侧扩挖段。

烟厂站至工程大学站区间双侧扩挖段最长,扩挖里程为SK12+688.979至SK12+890.542,共201.563 m。隧道主要穿过粉质黏土层、粉砂层、粉土层等。围岩级别均为Ⅵ级,土石可挖等级均为Ⅱ级。结构顶板附近为粉质粘土层,侧墙附近为粉砂层、粉质粘土层等。地下水位于结构底板附近,水位低于结构底板。为了充分利用既有7381结构,设计方案将既有7381结构线位横向偏移400~600 mm,轨顶面下移300~400 mm。新隧道高7.4 m,宽9.5 m。

2 隧道扩挖方案

隧道扩挖施工严格遵循“强支护、快封闭、勤量测”的技术要求。施工工序:① 破除既有支护仰拱部分砼并及时施作初衬;② 完成仰拱初衬8 m后,模筑6 m二衬仰拱砼;③ 凿除单侧顶拱砼,施作初衬,及时架设临时支撑及斜撑;④ 凿除另一侧顶拱砼,及时施作初衬,架设横向临时支撑,拆除斜撑;⑤ 破除一侧边墙砼并及时施作初衬;⑥ 破除另一侧边墙砼并及时施作初衬封闭成环;⑦ 拆除支撑,浇筑仰拱回填砼,模筑二衬拱墙钢筋砼(采用9 m模版台车立模)。部分工序如图 1

图 1 部分施工工序 Figure 1 Parts of construction operational procedures

原有隧道扩挖作业采用跳槽法,每槽段长1 m,间距15 m。结构破除及土方开挖过程中,超前预报和监控测量同时进行,实时分析反馈,从而确保安全施工。

3 隧道扩挖的监测方案

由于目前隧道扩挖经验较少,隧道扩挖过程中的监测至关重要。该工程重点监测地表变形及其对建(构)筑物的影响、围岩与支护结构的稳定性等,内容主要包括地表沉降、建筑物沉降、围岩压力、隧道拱顶下沉、隧道两侧水平收敛等,本文重点分析地表沉降。高程控制网属精密水准网,其精度在二、三等水准测量之间,平差后精度满足相应规范要求。监测频率:初期支护施作完成前每天1次,初衬完成后每2天1次。每一工序沉降累计从该工序开始时刻至下一工序开始时刻。

4 监测数据分析

地质雷达探测发现,里程SK12+800至SK12+880间的隧道周围土体无明显异常。本文结合跳槽法的施工方法,取SK12+830至SK12+880间的50 m为分析对象,扩挖面位于SK12+855,相邻槽段尚未扩挖。监测点布置如图 2,为使地表变形更明显,各监测点间距加密为5 m。

图 2 监测点布置 Figure 2 Arrangement of the monitoring points

从断面2和断面5的沉降曲线图(见图 3图 4)中可以看出,总沉降最大值发生在扩挖面上部地表。此外,断面1、3、4、6沉降曲线(见图 5图 8)显示,在总沉降中,破除仰拱产生的沉降最大,破除边墙和拆除支撑产生的沉降居中,且两者大小相当,破除顶拱加支撑后沉降最小。由于双侧扩挖,断面2沉降曲线(见图 3)的中部较断面5(见图 4)的平坦,而扩挖面两侧的断面1、3沉降曲线(见图 5图 6)平坦区域缩小,甚至消失。与盾构施工[6~7]不同,跳槽法施工的沉降曲线都以扩挖面为中心呈近似对称分布。

图 3 断面2沉降曲线 Figure 3 Settlement curves of the Transverse Section 2

图 4 断面5沉降曲线横向 Figure 4 Settlement curves of the Lengthwise Section 5

图 5 断面1沉降曲线 Figure 5 Settlement curves of the Transverse Section 1

图 6 断面3沉降曲线 Figure 6 Settlement curves of the Transverse Section 3

图 7 断面4沉降曲线 Figure 7 Settlement curves of the Lengthwise Section 4

图 8 断面6沉降曲线 Figure 8 Settlement curves of the Lengthwise Section 6

利用Matlab软件对监测数据进行处理得到断面2和断面5总沉降的三次样条插值曲线(见图 9图 10)和倾斜曲线(见图 11图 12),从中可以看出,横向影响范围为扩挖面左侧25~30 m,右侧28~32 m,纵向影响范围为扩挖面后方16~18 m,前方19~21 m。

图 9 断面2沉降插值曲线 Figure 9 Settlement interpolation curves of the Section 2

图 10 断面5沉降插值曲线 Figure 10 Settlement interpolation curves of the Section 5

图 11 断面2倾斜曲线 Figure 11 Settlement slope curves of the Section 2

图 12 断面5倾斜曲线 Figure 12 Settlement slope curves of the Section 5

结合矿业开采沉陷理论[8~12],由断面2和断面5倾斜曲线得,断面2倾斜极大值在左侧-14 m处,右侧在13 m处,断面5倾斜极大值在后方-6 m处,前方6 m处。倾斜极大值处即总沉降拐点处,拐点处倾斜最大,对地下埋藏设施影响较大,拐点内侧为压缩变形,拐点外侧为拉伸变形,易出现裂缝。断面2和断面5倾斜曲线在拐点两侧变化较快,拐点过后一段距离都有明显的减速。断面2倾斜中部变化较慢,是两侧扩挖使中部沉降较平坦所致。对于断面2右侧末端的加速,检查发现属于外界扰动,不予考虑。

5 监测结果讨论

隧道扩挖不同于新隧道的开挖,双侧扩挖也不同于单侧扩挖,其对地表的影响有以下特点(本工程竣工隧道高7.4 m,宽9.5 m):

① 以扩挖面为中心,隧道双侧扩挖影响范围横向单侧约为隧道宽度的3倍,纵向单侧约为隧道高度的2.5倍。地表监测范围应大于等于此范围,且在沉降变化快的区域(1.5倍高度或宽度)应重点监测。

② 总沉降曲线的拐点横向出现在约1.5倍宽度处,纵向出现在约1倍高度处。拐点处倾斜最大,其外侧土层易产生拉应力,故拐点及其外侧1倍宽度(由倾斜曲线得)范围内,若存在埋藏设施则应有相应防护措施且重点监测,对跨越拐点的建筑物也要重点监测。由此可见,拐点位置的确定有重要意义。

③ 扩挖过程中,破除仰拱对地表影响最大,其次为破除边墙和拆除支撑,且二者影响程度相当,破除顶拱且加支撑影响最小。拆除支撑时地表沉降较大,故支撑的架设要及时,拆除要谨慎。破除仰拱和拆除支撑后有必要提高监测频率。

④ 双侧扩挖使横向总沉降曲线中部较纵向平坦,平坦区域与隧道宽度相当,该区域内建筑不易被破坏。

⑤ 横向断面沉降(断面2)在中部存在低速区(范围与隧道宽度相当),而纵向断面沉降(断面5)则无,横向断面和纵向断面沉降变化在两端均存在低速区。低速区监测点间距可放宽。

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