地鐵隧道開挖引起地表沉降的數(shù)值模擬研究

孟益平，徐林海

地鐵隧道開挖引起地表沉降的數(shù)值模擬研究

孟益平，徐林海

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

大中型城市修建地鐵是未來城市建設(shè)的一個重要方向，但是城市中環(huán)境復(fù)雜，地表沉降控制要求嚴(yán)格。因此，研究隧道開挖地表沉降變化規(guī)律，對沉降控制具有重要的實踐意義。文章運用有限元數(shù)值模擬方法對青島某標(biāo)段地鐵隧道工程進(jìn)行分析，結(jié)合數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，研究隧道在由斷面開挖對地面沉降變化規(guī)律的影響，對比實際隧道開挖的監(jiān)控數(shù)據(jù)，模擬結(jié)果表明，地表沉降仍在安全范圍內(nèi)，可以為類似工程沉降控制提供參考。

地表沉降；數(shù)值模擬；斷面轉(zhuǎn)換；地鐵隧道。

0　引　言

城市地鐵隧道的開挖建造，難免造成土層的擾動和損失，這是導(dǎo)致地面沉降的主要原因。再加上不同的施工技術(shù)、城市環(huán)境和土質(zhì)的復(fù)雜性等不確定性[1～2]，必然對地層的移動和地表的淪陷帶來一定量的影響。為降低隧道工程建造對地表產(chǎn)生的不利影響，盡可能減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失，有必要對預(yù)測隧道施工引起的地表變形和沉降的方法進(jìn)行更深一步研究。

隨著有限元仿真軟件的發(fā)展，數(shù)值模擬法在地下工程中的應(yīng)用越來越廣泛，在研究地下隧道施工過程、施工引起的土體擾動、地層和地表沉降等問題上發(fā)揮了重要的作用。劉洪洲等[3]就運用有限元法研究、分析了各種不同因素對地層和地表沉降的影響，對隧道開挖過程中地層沉降的規(guī)律做出了詳細(xì)總結(jié)。

本文針對青島某標(biāo)段地鐵隧道施工開挖工程，綜合考慮實際地質(zhì)調(diào)查和施工方案的基礎(chǔ)上，建立了斷面轉(zhuǎn)換開挖模型，計算分析斷面轉(zhuǎn)換引起的地表沉降的特征，提出隧道開挖施工過程中需要注意控制地面沉降的措施工法等，并結(jié)合施工過程和后期監(jiān)測沉降值進(jìn)行對比分析，檢驗了模型的有效性；為隧道斷面轉(zhuǎn)換的施工方法和隧道支護(hù)方法的優(yōu)化，控制隧道斷面開挖掘進(jìn)引起的地表沉降提供有力參考。

1　工程概況

1.1工程地質(zhì)概況

青島某標(biāo)段地鐵隧道工程。線路兩側(cè)建筑物密布，多為德國砌體建筑群，部分區(qū)段有高層建筑，且地面車流量大。本區(qū)間隧道經(jīng)過的巖層主要為中-微風(fēng)化巖花崗巖、煌斑巖，圍巖分級為Ⅱ～Ⅲ級。第四系主要由全新統(tǒng)人工填土、全新統(tǒng)沖洪積層、上更新統(tǒng)沖洪積層組成?；鶐r主要為燕山晚期侵入花崗巖及煌斑巖脈巖，特點是煌斑巖呈脈狀穿插于花崗巖內(nèi)，于不同巖性接觸帶見有碎裂巖。地下水類型主要為強(qiáng)-中風(fēng)化基巖裂隙水，分為風(fēng)化裂隙水、構(gòu)造裂隙水，主要含水層為強(qiáng)、中風(fēng)化巖帶，屬弱透水性地層，富水性較差。

1.2斷 面工程概況

研究里程范圍K0+275.5-K0+331.8（右線），區(qū)間隧道斷面形式為單洞單線和單洞雙線兩種，結(jié)構(gòu)斷面變化大，開挖跨度大，工序多，干擾大，施工技術(shù)難度高。

該體系轉(zhuǎn)換單洞雙線大斷面變換為單洞單線隧道。大斷面隧道拱頂埋深為19.5 m，大斷面最大開挖高度為10.026 m，最大寬度14.5 m；斷面開挖基本處于花崗巖層中。小斷面采用全斷面法進(jìn)行開挖，小斷面最大開挖高度為6.16 m，最大寬度5.6 m，兩隧道中心間距為8m。臨界斷面K0+305.5斷面對應(yīng)地表為廣西路路面。

隧道采用爆破開挖方法，初期支護(hù)采用單層鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土+梅花形布置的砂漿錨桿聯(lián)合支護(hù)，二襯為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。

2　數(shù)值模型的建立

2.1 數(shù)值模型的建立

（1）模型尺寸：整體模型尺寸為，隧道走向65.27 m，寬60 m，厚度55 m，滿足消除邊界效應(yīng)的尺寸要求；

圖1　隧道網(wǎng)格劃分示意圖

（2）地層劃分：從上到下依次為素填土2 m，花崗巖63.27 m；

（3）斷面尺寸：大洞寬14.5 m，高10 m，小洞寬5.6 m，高6.26 m，如圖1、2所示模型；

（4）四周邊界均施加法線方向約束，模型底部邊界約束法線和縱軸方向約束；

（5）模型整體受自重應(yīng)力荷載作用；

（6）土體的開挖過程模擬和支護(hù)作用的實現(xiàn)通過單元生死控制來實現(xiàn)；

（7）圍巖采用Sold單元進(jìn)行模擬，Shell單元模擬一襯，Link單元模擬砂漿錨桿；

（8）考慮初始應(yīng)力條件[4]。

2.2巖體破壞準(zhǔn)則

巖石的破壞準(zhǔn)則的選取取決于巖體的性質(zhì)和實際的受力狀況。

巖體爆破粉碎區(qū)是巖體受壓所致[5]，采用Mises破壞準(zhǔn)則,壓碎去巖體破壞準(zhǔn)則為:

式中：σVM為巖體中任意一點的Vom Mises有效應(yīng)力；σcd為巖體的單軸動態(tài)抗壓強(qiáng)度。

常見的爆破巖體，近似統(tǒng)一使用下式表達(dá)巖體動態(tài)抗壓強(qiáng)度與靜態(tài)抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

式中：cσ為巖體的單軸靜態(tài)抗壓強(qiáng)度；ε為加載應(yīng)變率。

而裂縫區(qū)則是受拉破壞的結(jié)果，采用最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，在壓碎區(qū)外巖體破壞準(zhǔn)則為:

式中，tσ為巖體中任一點在爆破荷載下所受的拉應(yīng)力；σtd為巖體單軸動態(tài)抗拉強(qiáng)度。

在巖石工程爆破的加載應(yīng)變率范圍內(nèi)可取

式中：tσ為巖體單軸抗拉強(qiáng)度。

表1　巖土材料力學(xué)參數(shù)

2.3巖土及等材料物理力學(xué)參數(shù)

模擬最終采用的修正的材料參數(shù)[6]如表1。

3　計算結(jié)果分析

3.1斷面轉(zhuǎn)換分析

大斷面轉(zhuǎn)為小斷面，雖然開挖面積減小了，但是轉(zhuǎn)為兩左右洞之后，兩洞之間距離較近，通過數(shù)值模擬計算發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換面處，小洞拱部位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，轉(zhuǎn)換前后應(yīng)力明顯增大。

圖3應(yīng)力集中區(qū)域主要是發(fā)生在已開挖大斷面隧道拱腳位置，施工時應(yīng)注意對應(yīng)力集中區(qū)域的加固保護(hù)。

圖3　應(yīng)力云圖局部放大

數(shù)值模擬情況：平頂暗挖隧道已開挖支護(hù)完成，轉(zhuǎn)為小斷面之后分九次開挖，分步開挖過程中選取地面18個節(jié)點作為監(jiān)控量測點，測點間距為3 m，距轉(zhuǎn)換面距離為負(fù)值代表掌子面掘進(jìn)方向。提取計算結(jié)果得到測點位置沉降的曲線圖如圖4、圖5所示。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)隨著開挖掌子面的推進(jìn)，地面測點沉降數(shù)值越來越大，且在開挖掌子面距轉(zhuǎn)換面距離增大的同時，沉降數(shù)值曲線逐漸趨于平緩。開挖引起的轉(zhuǎn)換面沉降值越來越小，即開挖對轉(zhuǎn)換面的影響隨著掌子面的推進(jìn)越來越小。由圖5可以發(fā)現(xiàn)隨著開挖掌子面的推進(jìn)拱頂沉降變化曲線變化平緩，同樣反映了隨著掌子面的推進(jìn)，開挖對轉(zhuǎn)換面的影響越來越小，并最終趨于穩(wěn)定值。

計算得到開挖斷面的豎直方向位移云圖如圖6（1、7步開挖豎直方向位移）。

圖4　隨著開挖次數(shù)的增加地面測點沉降累積量曲線

圖5　每一次開挖引起的地面沉降值

選擇跟蹤了里程K0+321的一點為追蹤點，模擬沉降量與施工過程中實測沉降量對比如下圖7所示，如圖可知，數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)與實測監(jiān)控得到的地面沉降數(shù)據(jù)基本吻合，可以驗證模型的有效性。

a 第一步開挖開挖面豎向位移云圖

圖6　1、7步開挖y方向位移

圖7　模擬沉降與實測沉降對比圖

3.2 模擬結(jié)果誤差分析

模擬掘進(jìn)得到的地面沉降結(jié)果大部分位于實測沉降圖形下面，整體得到的數(shù)據(jù)較小，考慮到實測時使用的是電子水準(zhǔn)儀，測量時環(huán)境，包括空氣潮濕度，地面震動等[7]因素，理論分析結(jié)果與實測基本相符，沉降總體在可控范圍之內(nèi)。

4　結(jié)論

（1）由沉降累積曲線可以得到在大斷面轉(zhuǎn)小斷面開挖過程中，由于隨隧道開挖的掘進(jìn)，沉降值會累積疊加，所以在開挖過程中要隨挖隨支，隧道支護(hù)要緊跟掌子面的推進(jìn)，從轉(zhuǎn)換面處的累積沉降量來看，九次開挖總共下沉0.45 mm，數(shù)值在可控范圍內(nèi)。

（2）沉降累積曲線的變化趨勢，最終均趨向于平緩穩(wěn)定值，提醒我們在斷面轉(zhuǎn)換初期要加強(qiáng)監(jiān)控量測的頻率，而后期可以降低監(jiān)測頻率。

（3）該青島地鐵隧道開挖工程的數(shù)值模擬結(jié)果與實際變形監(jiān)測曲線變化曲線相一致，由此可見，在實際工程中，可以通過數(shù)值模擬的方法，預(yù)測隧道開挖引起的沉降，并可以根據(jù)地表沉降的容許值，合理的調(diào)整隧道斷面支護(hù)和其它輔助施工方案，從而保障隧道施工的安全，減小施工對地表的影響，并合理的節(jié)約成本。

[1]錢七虎.迎接我國城市地下空間開發(fā)高潮[J].巖土工程學(xué)報,1998(01):112-113.

[2]劉寶琛.急待深入研究的地鐵建設(shè)中的巖土力學(xué)課題[J].鐵道建筑技術(shù),2000(03):1-3.

[3]劉洪洲,孫鈞.軟土隧道盾構(gòu)推進(jìn)中地面沉降影響因素的數(shù)值法研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2001(06):24-28.

[4]吳波.復(fù)雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降研究[D].成都:西南交通大學(xué),2003.

[5]李瑩.高應(yīng)力巖體爆破作用效果的數(shù)值模擬[D].沈陽:東北大學(xué),2013.

[6]李永樹,肖林萍.地面沉降預(yù)測參數(shù)的變化規(guī)律與計算方法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,2006(04):424-428.

[7]楊福麟,劉永林,胡斌.武漢地鐵隧道開挖引起地表沉降的數(shù)值模擬研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2013(01):85-91.

Numerical Simulation Study of the Impact of Excavation of Metro Tunnels on Land Subsidence

MENG Yiping， XU Linhai
(School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The construction of subways is important in the development of large and medium-sized cities, but the urban environment is complicated, and the control of the surface subsidence needs to be strict. Therefore, it is of great practical significance to study the change regulation of tunnel excavation. In this paper, a metro tunnel engineering in Qingdao is analyzed by the numerical simulation method. The ground subsidence change regulation in the construction of the tunnel with conversion section is studied with the results of numerical calculation and the field measure data. The monitoring data and the simulation data are compared. The results show that the ground subsidence is controlled in safe scale, and it can provide reference for the study of ground surface subsidence in similar projects.

Surface subsidence; Numerical simulation; Section conversion; Metro tunnel.

U456

A

2095-8382(2016)03-008-04

10.11921/j.issn.2095-8382.20160302

2015-12-02

孟益平（1964－），男，副教授，主要研究方向：工程力學(xué)。