地铁隧道施工引起地层位移规律的探讨

发表时间:2021/5/6   来源:《建筑实践》2021年第40卷第3期   作者:曾柳祁
[导读] 随着城市人口数量的逐渐增长,以及人均消费水平的提升,
        曾柳祁
        中铁五局电务城通公司
        摘要:随着城市人口数量的逐渐增长,以及人均消费水平的提升,为了减轻交通拥堵情况,许多城市都开始大规模的进行地铁隧道施工。在地铁隧道施工时,人们往往考虑的是地面上的建筑是否会受到影响,或者是担心对环境和绿化能否造成伤害,却忽略了隧道在开挖时,会对地表和地层造成位移,因此,人们在地层这方面的认知并没有太过充分。所以本文将会主要探讨地铁隧道在施工时,对地层位移规律进行讨论。
        关键词:地铁隧道;施工方法;地层位移规律
        
地铁隧道现在可以说是建设的热潮,然而在施工时,不仅会影响到地面上的建筑,同时对地层的各种结构也有影响,例如地下管道,或者是建筑物的根基。然而就目前为止,大多数人们对地层的位移规律这方面还没有太过深究,能够看到的资料也是少之又少,所以对于工程部而言,关于地层位移规律这方面的研究更应该着重放在心中。

        一、地铁隧道施工方法概述
在探讨地层位移规律之前,首要要了解地铁隧道究竟是如何施工,都以什么样的方式施工。同时在考虑到地面因素的情况下,地铁施工的方式也各不相同,一般情况下,都要根据工程性质、地面及地下,还有设备工期等进行施工。
1.明挖法
明挖法一般是用在地面交通和环境都能够容许的情况下,明挖法如今也是各个国家地铁隧道施工的首选措施。先是挖开地面,然后从上往下挖土石一直到标定的高度位置后,再以从下往上的方式从基地顺作施工,在隧道主体结构完成后,再把基坑跟地面恢复到原来样子的一种方法。
难点:明挖法这项施工技术是深基坑工程技术的其中一种,像是地铁施工这种工程,一般都在热闹的城区,因为在人多的地方方便大家坐地铁出行,所以四周无论是建筑物还是其他,一定都很繁华且密集,所以这项难度便在于如何能够减少对建筑物的影响,同时还能保护周边的环境状态,同时防止地表沉降。
优点:这种方法的优点是施工进度快,不用耽误太长时间,而且施工技术也并没有很复杂,在经济方面也不需要有太多的支出,所以被作为第一方案。
缺点:正所谓有利就有弊,采用明挖法时,如果阻碍交通时间太长,那么将会对环境产生噪音和震动的影响。
2.浅埋暗挖法
这种方法不同于明挖法,它需要对围岩和支护进行测量,同时还需要监控及指导的一项地下设计型工程。一方面要运用周岩的承重能力,同时还要考虑到开挖面所受的空间约束,其主要支护方式为锚杆和喷射混凝土,对周岩能够起到加固稳定的作用,从而避免周岩松弛和变形。
难点:运用这种施工方法时,应该按照工程特点以及围岩状况,还有环境等要求,筛选一个适合开挖掘进的措施。不同地方所使用的方式也不同,如果面对的是城市地铁站这种多跨隧道,柱洞法或中洞法这种施工方法应当首要选择。如果是在中区间隧道施工,那么应当使用台阶法或者是CRD方法等。
工程实例:因为地铁隧道常是在城市区域内进行施工,所以一定不能忽视对地表沉降的控制。像是北京地铁东单站,它围绕在居民区内,所以在施工时一定要在不影响周边正常环境的状态下,让设施能够从居民区通过。
3.盖挖法
如果要在城市的忙碌地段修建地铁站,那就可能需要占用道路,而且地铁又设在主干道上,还要在影响到交通的状况下,又不能将交通中断,那便可以选择盖挖法。先将地面向下挖,一直挖到一定深度之后,再封住顶部,接下来的工程那就要在封住顶盖后才能继续。
难点:盖挖法并不是单一的一种方法,其包含盖挖逆作法和半逆作法,它们二者的不同之处只是在于完成顶板以及路面恢复之后,要先浇筑底板,最后再按顺序向上逐层浇筑侧墙和楼板。同时,在使用半逆作法施工时,通常情况下都需要提前施加预应力。
4.混合法
混合法相比前面相对简单,那就是观察地铁隧道的实际情况,然后同时运用两种或两种以上的方法来进行施工。

        二、地层位移规律
在地层位移规律这方面,来自英国的学者Mair等人取得过重要成果。他们通过在黏土中取得的一些实测资料,同时在地表位移的Peck公式之上,又思索到沉降槽宽度会随深度而改变这一想法,地层竖向位移这个方法也是由此而得出,他们的这个研究成果在现如今也被广泛引用。然而它也存在一个问题,因为它只能适用于黏性土,所以在实际运用时候也有所局限。
1.Peck法
Peck在对实测资料经过大量分析后,认为在不排水的情况下,同时在整个隧道长度上均匀分布,隧道开挖后,地表沉降槽的体积和地层损失体积应当相同。然而Peck的方法也存在着一定的局限性,比如只能计算出土体的垂直沉降,却不能考虑土体的横向位移,同时对隧道的形状及尺寸也有欠考虑,只能单一思索地质条件。
2.随机介质理论法
这项理论认为隧道通常情况下,距离地表不会太深,假如把岩土体模拟为随机介质,那么因为岩土体开挖而形成的地表下沉就可以当做是一个随机过程,总结下来就是把整体的开挖隧道,当做无限个小的开挖对上部土层造成影响的综合反映。
3.地表以下沉降
按照在硬黏土和软黏土中的一部分实测资料,Mair等人发现沉降槽宽度的变化与观测深度的变化存在一定规律,其中的沉降槽宽度参数可以用K(Z)=0.5-0.325(Z/Zo)/1-Z/Zo公式来表明。同时也可以看一下图1,这幅图是Mair等人在1993年通过图形所描绘出来的地表以下沉降槽的形态图。

                图1
        
        三、总结讨论
1.调整掌子面前方核心土体是关键
地铁隧道施工引起地层位移,这可以说是一个空间体系,像是掌子面挤压变形、收敛变形和预收敛变形都被包含在隧道变形里。掌子面前方核心土体变形是形成收敛变形的其中一部分原因,所以,调整掌子面前方核心土体的刚度是收敛变形减小的关键,同样加深了掌子面的稳定性,地层位移也能够大大减小。
2.对核心土体变形的理解
资料中曾经有写过沿途控制变形法这一方式,是将隧道施工掌子面及其前方核心土体作为稳固工具,他们觉得导致整个隧道变形的罪魁祸首就是核心土体变形。但是经过具体数据分析后,结果表明造成隧道变形并不只是因为核心土体的变形,即便是控制核心土体的挤压变形,以及隧道预收敛变形,从本质上也并不能导致隧道变形。
3.隧道收敛变形的原因
那么隧道收敛变形的真正原因是什么呢?是隧道开挖轮廓面地应力的释放,因而如何使应力“拱效应”能够平均分布在隧道四周,这才是控制隧道收敛变形既正确又有效的最佳方式。

        四、结束语
近几年来,我国的铁道工程事业比以往的发展水平有了大幅度提升,但是在原有的施工技术上,还要不断发展新的技术。但是到目前为止,对于地铁隧道施工造成地层位移规律这方面的实测报告还不是很多,尤其是在地层位移这方面,因此在以后的工程实践当中,工作人员要不断根据实际情况来累计数据,从而对地层位移规律提供更多的贡献。

        参考文献
[1]李奎,高波,夏志强.地铁隧道施工引起地层位移空间特征研究[J].路基工程,2008(04):5-7.
[2]韩煊,李宁,Jamie R.STANDING.地铁隧道施工引起地层位移规律的探讨[J].岩土力学,2007(03):609-613.
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