黃土地區(qū)隧道施工對(duì)地層擾動(dòng)的影響研究

白陽(yáng)陽(yáng)　張文超

摘要：以西安五號(hào)線地鐵某區(qū)間工程為依托，利用FLAC3D[1]差分軟件模擬盾構(gòu)過(guò)程，研究隧道開(kāi)挖后地表變形及地層變形的擾動(dòng)規(guī)律，以及隧道自身變形情況。通過(guò)三維數(shù)值模擬，研究隧道開(kāi)挖對(duì)不同深度地層的影響。并得出了有關(guān)結(jié)論。

Abstract： Based on a section of Xi'an No. five subway， the FLAC3D differential software is used to simulate the process of shield tunnel. The surface deformation after tunnel excavation， the disturbance law of ground deformation， and the deformation of the tunnel are studied. The influence of tunnel excavation on different depth strata is studied by 3D numerical simulation. And some conclusions are drawn.

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工；FLAC3D；地層變形

Key words： shield construction；FLAC3D；stratum deformation

中圖分類號(hào)：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）06-0136-02

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展城市地下空間利用可以有效緩解城市交通壓力。盾構(gòu)法施工由于其施工工期短、自動(dòng)化程度高、噪音影響施工影響小等特點(diǎn)，在隧道建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，由于盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)直徑大于隧道拼裝管片的外徑，掘進(jìn)開(kāi)挖過(guò)程中，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)尾部完全脫出，管片裝配完成后，管片和土層之間會(huì)形成一個(gè)環(huán)形間隙，稱為盾尾空隙。必然會(huì)造成地層變形，使相鄰地表及建（構(gòu)）筑物沉降或地下建筑物及基礎(chǔ)發(fā)生沉降或偏移。徐前衛(wèi)、尤春安、李大勇[2]通過(guò)對(duì)黃浦江行人觀光隧道上部穿越建成的上海地鐵2號(hào)線區(qū)間隧道建立了三維有限元計(jì)算模型，研究盾構(gòu)推進(jìn)而引起的地層變形的規(guī)律性并對(duì)已建隧道產(chǎn)生的施工影響進(jìn)行了全面分析并給出了相關(guān)的結(jié)論。饒宇、夏元友、趙根等[3]以武漢地鐵四號(hào)線某一區(qū)間隧道為研究對(duì)象，對(duì)該盾構(gòu)區(qū)間隧道所獲得的地表沉降的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和處理。對(duì)地鐵隧道引起的地表沉降規(guī)律進(jìn)行分析，探討了建筑物與隧道軸線的距離、隧道埋深等因素對(duì)地表沉降的影響。呂政、江阿蘭[4]通過(guò)對(duì)盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)地表的影響，借助abaqus大型有限元分析軟件、實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)、Peck經(jīng)驗(yàn)公式相對(duì)比的方法，綜合分析了隧道開(kāi)挖后地表的沉降變形規(guī)律。通過(guò)隧道盾構(gòu)施工的數(shù)值模擬分析研究，為優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工提供具有指導(dǎo)意義的研究成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工程實(shí)例模擬分析

1.1 工程概況 西安五號(hào)線一期工程西起和平村站，終點(diǎn)紡織城火車站。一期工程線路全長(zhǎng)約26.01km，其中地下線長(zhǎng)約24.88km。占全線長(zhǎng)度的95%。由于隧道位于市內(nèi)城區(qū)地下管線復(fù)雜地表建（構(gòu)）筑物繁多對(duì)變形要求非常高。西安黃土地區(qū)地層條件復(fù)雜、地下水位較高，隧道從老舊的建筑物下方通過(guò)，為保證工程安全，設(shè)計(jì)選用能較好控制沉降，減少對(duì)周圍環(huán)境影響的盾構(gòu)法施工。為確保工程的全面順利實(shí)施選取近南稍門(mén)段進(jìn)行研究，區(qū)間隧道埋深約10.16～18.19m，線路最大縱坡24.22‰，最小縱坡2‰。區(qū)間隧道主要穿越的地層為：古土壤、老黃土層、粉質(zhì)黏土。其中：老黃土自穩(wěn)性較差；古土壤土質(zhì)不均勻，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，含鈣質(zhì)條紋及鈣質(zhì)結(jié)核。區(qū)間上方存在新黃土，為濕陷性土層。區(qū)間水位埋深約9.5m～12.1m。

1.2 模型建立

1.2.1 模型范圍的確定及邊界條件的選取 模型范圍的確定及邊界條件的選取根據(jù)地質(zhì)資料顯示，五號(hào)線的地質(zhì)情況比較復(fù)雜，為此選地層共分5層，從上到下依次為：素填土、新黃土1、新黃土2、古土壤、粉質(zhì)黏土。上層邊界取至地表，下邊界和左右右邊界都取大于隧道洞徑（6m）的3倍進(jìn)行計(jì)算，長(zhǎng)度取36m。此次模擬隧道埋深為18m。管片厚度取35cm。全部計(jì)算區(qū)域共劃分為83324節(jié)點(diǎn)，78228單元。計(jì)算時(shí)應(yīng)用位移約束固定左右邊界，前后邊界及下邊界，上邊界取為自由邊界。其計(jì)算地質(zhì)模型及單元網(wǎng)格劃分如圖1所示。

1.2.2 計(jì)算參數(shù)的選取 本構(gòu)選取本次模擬土體采用用摩爾庫(kù)倫，對(duì)隧道管片材料為彈性模型，本模型使用了FLAC中的“空模型”（Model Null）能來(lái)模擬土體開(kāi)挖和支護(hù)施工。所謂“空模型”（Model Null），即是將開(kāi)挖單元從巖或土體模型中移去，但是與之相關(guān)聯(lián)的單元部分仍保留在原空間位置；將隧道的開(kāi)挖過(guò)程用FLAC中的“空模型”（Model Null）功能來(lái)模擬即為：開(kāi)挖（將開(kāi)挖部分設(shè)置為“空單元”）進(jìn)行支護(hù)，計(jì)算，使之達(dá)到平衡。具體參數(shù)如表1、表2。

1.2.3 此次模擬對(duì)隧道上方6m、12m、18m（地表）處進(jìn)行豎向及水平位移監(jiān)測(cè)分別為A、B、C測(cè)線。具體如圖2。1.3 計(jì)算與結(jié)果分析 通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)隧道施工不僅影響地表及地表結(jié)構(gòu)物，對(duì)下部地層及其結(jié)構(gòu)物也有很大的影響。

由圖3-圖6可以看出地層沉降規(guī)律與地表規(guī)律“相似”，隧道施工后地層及地表沉降與Peck提出的盾構(gòu)施工引起地面橫向沉降槽公式所計(jì)算出的結(jié)果相同，但其對(duì)不同深度的沉降量不同。

①沉降最大處位于盾構(gòu)中心。在地表處即A測(cè)線最大沉降量為22.6mm，B測(cè)線最大沉降量為26.0mm，C測(cè)線最大沉降量為35.1mm，此外盾構(gòu)中心及其周圍（此次模擬約在小于8m處），隨著距地表距離越小豎向沉降量逐漸減小。②距離盾構(gòu)中心盾構(gòu)中心越遠(yuǎn)（此次模擬約在大于8m處），隨著距地表距離越小豎向沉降量逐漸增大。③距離盾構(gòu)中心盾構(gòu)中心越遠(yuǎn)（此次模擬約在大于12m處），隨著距地表距離越小水平側(cè)移量逐漸增大。④盾構(gòu)中心及其周圍（此次模擬約在小于12m處），地層側(cè)移量均變大，故在設(shè)計(jì)過(guò)程中注意加固及繞開(kāi)近距離地下建筑物。

2 結(jié)論

通過(guò)對(duì)西安五號(hào)線某區(qū)間工況進(jìn)行分析，建立了三維有限元計(jì)算模型研究了由于盾構(gòu)施工對(duì)不同深度土層及地表形進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

①隧道施工后地層及地表沉降與Peck[5]提出的盾構(gòu)施工引起地面橫向沉降槽公式所計(jì)算出的結(jié)果相同，但其對(duì)不同深度的沉降量不同。②隧道施工后距離盾構(gòu)中心遠(yuǎn)距離區(qū)地表沉降量、水平側(cè)移量均大于下部地層，但其沉降及側(cè)移量均較小。③隧道施工后距離盾構(gòu)中心近距離地表沉降量、水平側(cè)移量均較大，在地表及深部地層側(cè)移量大于中部土層的側(cè)移量。故應(yīng)注意對(duì)地表及深部地下建筑的側(cè)向變形實(shí)施監(jiān)控，設(shè)計(jì)工作應(yīng)充分考慮路線的的選取避免近距離盾構(gòu)施工，在施工過(guò)程中對(duì)隧道及周圍建筑物的影響實(shí)施監(jiān)測(cè)，或采取加固措施，防止安全事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫書(shū)偉，林杭，任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

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[3]呂政，江阿蘭.隧道盾構(gòu)法開(kāi)挖對(duì)地表沉降變形的影響[J].低溫建筑技術(shù)，2013，176（2）：106-108.

[4]饒宇，夏元友，趙根，等.影響盾構(gòu)隧道地表沉降的多因素分析[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2012，44（4）：6-11.

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