浅埋暗挖地铁隧道开挖砂土地层稳定性研究

本文基于青岛地铁一期工程(3号线)河西站-河东站区间工程实际,采用理论分析、数值计算、现场监测相结合的方式分析了砂土地层浅埋暗挖地铁隧道开挖地层变形规律以及围岩稳定性,并对施工风险进行了评价、预测,对隧道坍塌机理进行了研究。(1)本文从经验法、解析法、数值分析法以及模型试验法四个方面系统总结了浅埋暗挖地铁隧道施工诱发地层变形规律的国内外研究现状与研究进展,通过对地铁建设期安全事故统计分析得出坍塌是地铁建设安全事故的主要类型,进而引出对隧道开挖诱发地层变形规律以及地层稳定性研究的必要性、重要性和迫切性。(2)简要介绍了青岛地铁的发展历程、各线路规划,并详细介绍了青岛地铁3号线河河区间的工程地质、水文地质情况,基于层次分析法对施工风险进行分析,指出地质情况和复杂的周边环境是最需注意的风险因素。基于特尔菲-理想点法选取纵波波速、埋深、跨度、地下水、周边环境以及施工单位管理水平六个方面作为影响因素,建立坍塌预测模型,分析坍塌风险,进而提出了一套浅埋暗挖隧道坍塌风险预测评价体系并对河河区间坍塌风险进行预测,以一起典型坍塌案例对预测结果进行了验证。(3)阐述PECK公式与随机介质理论的适用性,基于现场监测数据,选取典型断面,利用PECK公式对监测数据进行拟合分析,探讨PECK公式在砂土地层浅埋暗挖地铁隧道的适用性,针对当前随机介质理论极坐标解法的不足提出了直角坐标解法及其详细步骤。(4)利用FLAC3D有限差分软件对砂土地层浅埋暗挖隧道施工诱发地层变形进行计算分析,计算结果表明该地层地表沉降横向影响范围约为2～2.5倍洞径,地表沉降纵向影响范围约为2倍洞径,地表最大沉降出现于隧道中线正上方。拱顶沉降变化趋势与地表沉降变化趋势整体一致,但数值与地表沉降相比较大。针对不同核心土长度工况分析其对隧道开挖地层稳定性的影响。(5)基于现场监测数据,将监测数据与数值计算结果相对比,分析隧道开挖横向影响范围,对地表沉降与拱顶沉降进行对比分析,指出拱顶沉降监测中不可避免的弊端,即监测的滞后性导致了拱顶沉降的监测数据仅为实际沉降量的40%左右,进而提出了拱顶沉降预测理论,并基于粒子群算法对拱顶沉降进行拟合分析,做出拱顶沉降位移全过程曲线。(6)对砂土地层浅埋暗挖地铁隧道地层坍塌类型进行分类,按照坍塌位置进行划分,地层坍塌包括掌子面失稳和地表塌陷两类,同时地层坍塌亦包括开挖面土体超出以及小范围的地表沉陷；按照坍塌时间进行分类,地层坍塌包括掌子面失稳与地表塌陷同时发生和地表塌陷滞后于隧道开挖两大类。从砂土本身物理力学性能、施工措施以及隧道埋深三个方面分析坍塌的成因,基于改进的楔形体理论探讨了隧道坍塌的力学机理,并选用PFC2D软件模拟计算了地层坍塌失稳过程,对地层水平位移、竖向位移按照不同横断面、纵断面进行分析。