基于地表沉降控制标准的隧道施工安全评估_杨玲

[ Keywords] tunnelengineering;settlementstandard;constructionsafetyassessment
0 引言
地表沉降监测结果能反映隧道施工中围岩变形 的全过程 , 并能反应围岩的稳定性 ;监测的重要性随 埋深变浅而加大 [ 1 -2] 。目前 , 关于隧道施工引起的 地表 沉 降 研 究 主 要 有 Peck公 式 法 , 如 Chungsik Yoo[ 3] (2003)、韩煊 [ 4] (2007);理论解析法 , 如 Bobet (2001)[ 5] 、K.H.Park(2004)[ 6] ;随机介质方法 , 如 施成化 (2005)[ 7] 、刘宝琛 [ 8] (2002)等 , 另外 , 还有数
第2 0351卷0
,第 年
4期 8月
公路工程 HighwayEngineering
Vol.35, No.4 Aug., 2 0 1 0
基于地表沉降控制标准的隧道施工安全评估
杨 玲1 , 郑长安 2
(1.湖南省高速公路管理局 , 湖南 长沙 410011; 2.湖南省交通科学研究院 , 湖南 长沙 410015)
从考虑围岩稳定性确定最大允许地表沉降值就
是以隧道侧壁正上方围岩不发生坍塌时允许产生的
最大地表沉 降值 作为控 制基准 。 这时采 用 “地层 梁 ”理论推导 出剪应变 的方 法来确 定最大 地表沉 降 [ 2, 12] 。
国 、内外隧道施工经验表明浅埋软弱隧道地表 沉降曲线可用 Peck公式描述 :
YANGLing1 , ZHENG Changan2 (1.ExpresswayAdministrationBureauofHunanProvince, Changsha, Hunan410001, China; 2.HunanCommunicationsResearchEnstitute, Changsha, Hunan410015, China)
S=Smaxexp
-x2 2i2
(1)
对 Peck公式求导可得沉降曲线的最大斜率发
生在 x=i处 , 计算式如下 :
η=0.i61Smax
(2)
假设地 层 的 极限 剪 应 变 γp与 η相 等 , γp = Ktanβ, 则 :
γp=[
τ] G
=η=0.i61 Smax
(3)
于是得到最大允许地表沉降 :
出与拱顶最大沉降对应的地表最大沉降 。 隧道开挖引起地层应力释放 , 而地层变形则从
拱顶向上传递又会造成地表沉降 。一般规律应为拱
顶沉降值大于地表沉降值 , 但在富水含砂地层会出 现地表沉降大于拱顶沉降 [ 14] ;经对相关隧道的统计
后 , 发现拱顶沉降与地表沉降比值多数位于 0.5 ～ 1.5之间 [ 15] 。
线拐点到隧道中心的距离 , 可通过回归或经验公式
求得 , 在实际监测中 , 根据测量的数据 , 还可以反推 i, 具体可参加文献 [ 14] 。
从公式 (3)、(4)可知 :地表最大的允许沉降与 围岩的极限剪应变 、沉降槽宽度系数 i成正比 , 而 i
一般正比于埋深 , 因此深埋隧道的允许最大地表沉
2 地表沉降控制标准 探讨
无邻近结构物情况下 , 地表沉降控制标准主要
取决于围岩和支护结构的稳定性 ;在邻近结构物下 ,
其控制标准还要考虑具体邻近结构物的特性及其与
隧道位置关系等而综合确定 。 然而 , 该临界值的确 定并不是一件容易的事 , 国 、内外并无统一的标准 。 2.1 从围岩稳定角度分析地表沉降控制标准
降要大于浅埋的 , 也表明浅埋隧道较深埋隧道地表
沉降控制的更严格 。
求得地表允许沉降和沉降槽宽度影响系数后 ,
即可得到地层允许的损失及损失率 。地层损失率不
仅与工程地质 、水文地质条件有关 , 还和施工方法 、 施工技术水平和管理水平等因素有关 [ 13 -14] ;总体来
说 , 地层损失率的范围在 0.22% ～ 6.90%之间 。 2.2 根据经验公式分析地表沉降控制标准
硬岩
软岩
硬岩
软岩
10 ～ 50
10 ～ 20
20 ～ 50Abstract] InordertoevaluatesafetyofsurfacesettlementduringtunnellinginLiuyangRiverTunnel, surfacesettlementstandardwasdiscussedfromtheviewofrockstability, empiricalformulaandrelativenorms.Thenthree-dimensionalmodelwasestablishedbyGTStosimulateconstructionusingthree parisonofnumericalsimulationresultsandin-sitemonitoringresultswasmadeaswell.Resultsshow:shallowtunnel' deformationstandardislowerthandeep tunnel' s;thehardertherockis, thelowerthedeformationstandardis;thesmallerthetunnelspanis, thelowerthedeformationstandardis;thehigherthesidewallis, thelowerthedeformationstandardis; themaininfluencefactorisrock' sproperty, andthesecondaryinfluencefactoristunnelspan.Both three-benchmethodandtwo-side-wallpilotmethodcanmeetsettlementsafety.Consideringconstruction period, three-benchmethodisadopted.In-sitemonitoringresultsissmallerthannumericalsimulation' s.Furthermorethedifferenceisanalyzed.
前苏联学者通过对大量隧道监测数据的整理 ,
得出了用于计算隧道周边允许最大位移值的经验公 式如式 (5)和 (6)所示 [ 2] 。
拱顶允许最大位移值
δ1 =12
b0 f1.5
mm
边墙允许最大位移值
δ2 =4.5
H1.5 f2
mm
(5) (6)
式中 :f为普氏系数 , 取为 f=Rb/(100 ～ 150)(Rb为 岩石饱和单轴极限抗压强度 , 在没有试验的条件下 ,
响 ;②同样埋深下 , 软岩的允许拱顶沉降大于硬岩
的 ;③ 同样围岩条件下 , 容许拱顶沉降随埋深增加
而增大 。
表 1 法国不同埋深的拱顶和地 表容许下沉值
Table1 Allowablesettlementofgroundsurfaceandthe
crownunderdifferentcover
隧道埋深 /m 洞内拱顶容许下沉 /mm 地表容许下沉 /mm
[ Smax] =0.i61η=0.i61Ktanβ
(4)
式中 :[ τ]为地层抗剪强度 , 可由极限剪应变求得 ;
G为地层剪切模量 ;[ Smax]为最大允许地表沉降值 ; K为经验系数 , 在软岩中 K=(1.1 ～ 1.3)×10-3, 在硬岩中 , K=1 ×10-3 ;i为沉降槽宽度系数 , 即曲
可取 Rb=2ctan(45°φ/2)), 或查相关表格 ;b0 为隧 道跨度 ;H为边墙自拱脚至底板的高度 。
分析上述经验公式 , 可以看出 :
① 该公式考虑了岩石的坚固系数 (普氏系数 )、
隧道跨度 、隧道高度的影响 , 而未考虑埋深的影响 。
② 围岩越坚硬 、跨度越小 、边墙高度越小 , 则允
图 1 浏阳河隧道出口引道段效果图 Figure1 LongitudinalprofileofLiuyanghetunnel
该隧道位于湖南省长沙市东部 , 起于长沙市开 福区捞刀河 镇 , 止 于雨花 区黎托乡 , 进 口里程 DIIk1560 + 550, 出 口 里 程 DIIk1570 +670, 全 长 10.120 km。
[ 关键词 ] 隧道 工程 ;沉降控制标准 ;施工安全评估 [ 中图分类号 ] U456.3 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1674— 0610(2010)04— 0121— 05
Safetyassessmentduringtunnelingbasedonsurface settlementstandard
[ 摘 要 ] 为评价浏阳河 隧道施工下地表沉降的安全性 , 从围岩稳定 、经验公式和相关规范角 度探讨地 表变形 控制标准 , 进而建立三台阶工法和双侧 壁导坑工法下的三维仿真模型 , 并同现场监测作 对比分析 。 结 果表明 :浅埋 隧道要比深埋隧道的地表沉降控制标准更严格 ;围岩越坚硬 、跨度越小 、边墙高度越小 , 则 允许的地表 沉降越小 , 反 之则越大 ;允许的沉降控制标准主要影响因素是 围岩自身条件 , 其次是隧道的跨度 ;三台阶法和双 侧导坑均 能满足 地表沉降安全性 , 考虑到工期的要求采用了三台 阶法施工 ;现场监测结果比数值模拟的要 小 , 并分 析了存在 差异的 原因 。
许的位移越小 ;而相对的软弱围岩 、大跨度 、高边墙
第 4期
杨 玲 , 等 :基于地表沉降控制标准的隧道施工安全评估
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下 , 允许的位移则越大 ;
③ 由于拱顶允许的最大位移与隧道跨度的一
次方成正比 , 而与普氏系数的 1.5次方成反比 , 可知 拱顶允许的最大位移的主要影响因素是围岩自身条