地鐵區(qū)間隧道地表沉降變形機理及其規(guī)律研究

胡琳

（無錫地鐵集團有限公司，江蘇無錫 214023）

地鐵區(qū)間隧道地表沉降變形機理及其規(guī)律研究

胡琳

（無錫地鐵集團有限公司，江蘇無錫 214023）

地鐵區(qū)間隧道在開挖過程中因地質(zhì)條件復雜、隧道埋深及跨度大、覆土內(nèi)管線密集等原因造成地表沉降、地層移動等工程事故屢見不鮮。以某地鐵區(qū)間隧道為工程依托，通過理論分析，借助peck地表沉降理論研究分析區(qū)間隧道開挖過程中的沉降規(guī)律，得出了地表沉降的函數(shù)關系表達式；借助Midas GTS數(shù)值模擬軟件選取試驗段區(qū)間隧道，對其開挖過程中的地表沉降規(guī)律進行分析計算，將其變形沉降曲線與peck沉降理論進行比較，得到濟南地區(qū)區(qū)間隧道開挖過程中的地表沉降規(guī)律，指導工程實踐。

地鐵區(qū)間隧道；地表沉降；沉降槽；peck地表沉降理論；Midas GTS數(shù)值模擬

0　引言

隨著城市地鐵建設的快速發(fā)展，因地質(zhì)條件復雜，隧道埋深大、跨度寬，覆土內(nèi)管線密集等原因，由此造成的地鐵區(qū)間隧道范圍內(nèi)地層移動及地表沉降，并導致地鐵隧道結構變形的現(xiàn)象屢見不鮮。因此，亟需進行地鐵隧道在施工過程中地表變形機理及其控制技術的相關研究。

方浩亮，遲明[1]等以青島地鐵3號線為工程實例，借助FLAC3D與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對地表沉降及其收斂變形進行研究，得出了隧道地表沉降及凈空收斂的規(guī)律；朱道建，楊林德[2]等對CRD法施工所引發(fā)的地表沉降及其形成機理進行研究，同時對控制沉降效果進行預測分析，得出了不同施工方法在控制地表沉降及變形方面的差異性；王璐[3]針對黃土地區(qū)地層，研究地表沉降規(guī)律分析所誘發(fā)的地表沉降原因，為類似黃土地區(qū)隧道施工提供指導；張宇旭[4]借助數(shù)值分析與解析計算相結合的方法，分析研究了地面超載作用對盾構區(qū)間隧道地表沉降的影響，并提出合理化的處理措施。

本文以某地鐵區(qū)間隧道具體礦山法標段為依據(jù)，通過研究分析區(qū)隧道在開挖過程中地表沉降的形成機理、表現(xiàn)特性，得出區(qū)間隧道地表沉降的主要影響因素。借助Midas GTS數(shù)值模擬的方法研究隧道在開挖過程中的地表沉降規(guī)律，并將其與地表沉降理論計算相結合，更加具體地描述試驗段區(qū)間隧道開挖時的沉降變化規(guī)律，指導工程實踐的高效進行。

1　區(qū)間隧道地表沉降特性及作用機理分析

1.1地表沉降特性

區(qū)間隧道在開挖過程中產(chǎn)生的地表沉降一般是由圍巖逐步向地表發(fā)展的過程，同時由于土體的土拱效應、顆粒間的摩擦阻力以及施工過程中圍巖支護所采用的支護參數(shù)及支護方法，最終形成的地表沉降是多因素綜合作用的結果。通常情況下地表沉降主要有三個特征。

（1）先期沉降：這一過程的沉降是距實際開挖面2～3倍洞徑處前部土體開挖對后續(xù)地層造成的擾動反應到地表的沉降，由于覆土厚度、孔隙含水量及土體顆粒的壓縮性能不同，地表沉降的程度也有所差異。

（2）開挖沉降：開挖面的土體在卸載之后，圍巖土體進入應力重分布階段，地表沉降量受本身松弛變形及初期支護環(huán)的閉合時間的影響。開挖階段的地表沉降是整個區(qū)間隧道沉降的主要沉降段。

（3）滯后沉降：在圍巖支護襯砌完成后，由于混凝土襯砌徐變效應、土體固結程度及水文地質(zhì)情況的影響，結構襯砌及上覆土體會產(chǎn)生一定的壓縮（固結）變形，導致地表沉降[5]。

1.2地表沉降作用機理

區(qū)間隧道的開挖過程是一個圍巖應力重新分布的過程。其中應力傳遞和變形傳遞是圍巖達到平衡狀態(tài)的前提條件。區(qū)間隧道的開挖首先使得圍巖突然卸載，引起圍巖周圍內(nèi)部應力的急劇變化，應力在達到平衡狀態(tài)之前的調(diào)整過程中，使周圍土體變形破壞，并逐步向外擴張，通過地層傳到地表，造成圍巖影響范圍內(nèi)及上部土體的應力集中，在達到土體抗剪強度后趨于破壞，體現(xiàn)在地表則是產(chǎn)生地表較大變形。

圍巖在向平衡狀態(tài)轉化的過程中，拱頂下沉及隧道收斂變形會借助地層自下而上地傳遞到地表，在垂直隧道軸線方向上產(chǎn)生一定范圍內(nèi)的地表沉降，形成沉降槽。有學者認為，在不排水的情況下，隧道開挖所形成的地表沉降槽的體積應等于地層損失的體積[6]。此外，區(qū)間隧道開挖過程中的超欠挖、初期支護與圍巖的緊密程度、隧道涌突水等因素都會造成圍巖范圍內(nèi)土體應力的重新分配，同時也會造成地表一定的沉降變形。

1.3基于peck理論的地表沉降研究

1.3.1peck理論概述

peck經(jīng)驗公式法地表沉降理論中，假設地層損失是沿著隧道縱向均勻分布，得到隧道施工過程中產(chǎn)生的橫向地表沉降分布近似符合正態(tài)分布曲線，在peck地表沉降公式中確定地層及其施工的相應參數(shù)，就可以得到區(qū)間隧道在開挖過程中地表沉降數(shù)值，可以有效確定地表沉降的影響范圍，并及時進行控制沉降的有效措施。

1.3.2peck模型的建立

peck模型中忽略隧道在開挖過程中的排水情況，地表沉降完全由開挖造成的地層損失引起，計算模型如圖1所示。圖中z為隧道中心埋深（m），R為隧道半徑（m）。

圖1　peck地表沉降模型

模型遵循如下函數(shù)關系式：

式中：Sx為距離隧道軸線距離x處的地表沉降值，m；Smax為隧道軸線處地表沉降最大值，m；i為沉降

式中：z為隧道中心埋深，m；φ為土的內(nèi)摩擦角，（°）。

之后，諸多學者分別就peck沉降理論公式中的在不同土層狀態(tài)下的取值進行了研究分析，最終確定，以O’Reilly和New所研究的黏性土和非黏性土計算值與現(xiàn)場實測值相吻合，并得出K值的確定不隨隧道埋深及直徑的變化而變化，即：

式中：K為土體類型的無綱量參數(shù)；z0為隧道中軸線到地表距離，m。

最后得出了黏性土的值范圍是0.4～0.5，非黏性土的K值范圍是0.25～0.35[7，8]。本文以某一特定地鐵區(qū)間隧道實際開挖過程為依據(jù)，借助Midas GTS數(shù)值模擬軟件，計算隧道圍巖施工過程中的地表沉降變化規(guī)律，并與peck沉降理論相比較，驗證沉降槽曲線在濟南地區(qū)地鐵區(qū)間隧道開挖過程中計算沉降的適用性。槽寬度系數(shù)，即模型曲線拐點距隧道軸線的距離，m；Vi為隧道在開挖過程中單位長度的地層損失，即隧道實際開挖土體體積與竣工后隧道體積之差。

由式（1）、式（2）可以看出，決定地表最大沉降量的主要因素是模型曲線拐點距隧道軸線的距離i。依據(jù)peck理論，寬度系數(shù)可由式（3）得出：

2　基于Midas GTS數(shù)值模擬的地表沉降變形規(guī)律研究

2.1建立模型

本實例借助Midas GTS數(shù)值模擬建立區(qū)間隧道開挖過程地表沉降模型。模型采用似半圓形截面，考慮到邊界效應，模型尺寸定為100 m×100 m。地表面為自由面，左右兩側截面法相約束限制X方向水平位移，下邊界約束限制Z方向位移。建立的模型如圖2所示。

圖2　區(qū)間隧道Midas GTS計算模型

2.2計算參數(shù)的選取

模型選取的土體參數(shù)及支護材料參數(shù)如表1所示。其中噴射混凝土厚度為0.16 m，錨桿長度4 m，弧向間距1.5 m，單一斷面內(nèi)錨桿數(shù)量13根。

表1　巖土體及支護材料參數(shù)取值表

2.3計算結果分析

將模擬結果4D范圍內(nèi)沉降點的沉降量提取出來借助origin制表軟件，繪制出沉降變化曲線，如圖3所示。由模型試驗結果顯示，區(qū)間隧道影響范圍內(nèi)地表沉降基本符合正態(tài)分布曲線，表現(xiàn)為拱頂處沉降最為明顯，最大沉降量位13.5 mm，距離隧道中軸線的距離越大沉降越小，呈現(xiàn)向兩側擴散逐漸減小的趨勢。由沉降曲線可知，區(qū)間隧道沉降變形規(guī)律基本符合peck公式的沉降理論，但影響沉降槽特性的沉降槽寬度系數(shù)還需根據(jù)實際地表沉降實測值予以確定。

圖3　區(qū)間隧道開挖地表沉降曲線

3　結　論

（1）區(qū)間隧道開挖過程中的地表沉降是土體土拱效應、顆粒間摩擦阻力及支護參數(shù)等多因素共同作用的結果，且沉降的發(fā)展過程是由圍巖逐漸向地表發(fā)展。

（2）地表沉降是土體應力和變形傳遞的主要體現(xiàn)形式，圍巖的卸載導致應力在重分配的情況下，產(chǎn)生應力集中，導致土體抗剪破壞，并受限于超欠挖、初期支護與圍巖緊密程度、隧道涌突水等因素的限制。

（3）通過Midas GTS數(shù)值模擬軟件的分析計算，得出了地表沉降變化規(guī)律基本符合peck沉降計算理論所述的正態(tài)分布曲線。由此可將peck沉降計算經(jīng)驗公式用于類似工程地表沉降規(guī)律的研究中，指導工程實踐。

[1]方浩亮，遲明，張德勇.地鐵暗挖區(qū)間隧道地層變形特性分析[J].西部探礦工程，2014（6）:181-183.

[2]朱道建，楊林德,黃建勇.廈門海底隧道地表沉降控制效果分析及其預測[J].巖石力學與工程學報，2007,26（11）：2356-2362.

[3]王璐.西安市地鐵區(qū)間隧道盾構施工時地表沉降機理的[D].西安：西安科技大學，2008.

[4]張宇旭，占鸚.某地鐵區(qū)間隧道在地面超載作用下的沉降分析[J].黃石理工學院學報，2011,27（3:）37-40.

[5]王琦.成都地鐵區(qū)間隨道盾構施工引發(fā)地表沉降的數(shù)值模擬研究[D].成都：西南交通大學，2005.

[6]韓煊，李寧.STANDING J R.地鐵隧道施工引起地層位移規(guī)律的探討[J].巖土力學，2007，28（3）：609-612.

[7]馮超.地鐵隧道盾構施工引起的地表變形規(guī)律研究[D].西安：西安科技大學，2011.

[8]程青云.砂性粉土地層內(nèi)地鐵區(qū)間隧道施工過程地層變形規(guī)律與穩(wěn)定性研究[D].浙江：浙江工業(yè)大學，2012.

U451

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1009-7716（2016）02-0169-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.047

2015-11-11

胡琳（1984-），女，江蘇無錫人，工學碩士，工程師，從事軌道交通技術工作。