不同隧道埋深對(duì)地層變形的影響研究

邵 葳 于宏福

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110086)

1 概述

隨著當(dāng)今社會(huì)的快速發(fā)展，給各大城市的交通造成了極大負(fù)擔(dān)，為了減緩交通擁堵的難題，地鐵順應(yīng)時(shí)代的潮流應(yīng)運(yùn)而生。然而，地鐵隧道多用于暗挖施工，勢(shì)必給地面變形造成影響，其中隧道的埋深是隧道開挖引起地表沉降的重要因素之一[1，2。因此，針對(duì)不同土層的不同隧道埋深下，研究隧道開挖對(duì)地表沉降的影響尤為重要，對(duì)工程事故的預(yù)防意義重大。

針對(duì)不同隧道埋深，很多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。李曉嬌等[3]通過FLAC3D對(duì)粉質(zhì)粉砂、黏土等土層的隧道開挖進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究不同地層中地表沉降隨埋深的變化規(guī)律以及不同土層中同一埋深下地表沉降槽曲線的變化規(guī)律。胡學(xué)兵等[4]對(duì)不同跨度和埋深的隧道施工進(jìn)行數(shù)值分析，探討了不同埋深和跨度對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，并提出了隧道深埋和淺埋的判斷標(biāo)準(zhǔn)。李倩倩等[5]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值軟件，基于北京地鐵某區(qū)間隧道開挖后，對(duì)不同埋深下的地層變形、地層應(yīng)力以及塑性區(qū)分布等方面進(jìn)行研究。馬險(xiǎn)峰等[6]利用離心模型試驗(yàn)對(duì)盾構(gòu)隧道的地層損失進(jìn)行分析，研究地層損失與施工期及工后地表沉降的關(guān)系。毛峰等[7]采用數(shù)值軟件，分析隧道不同埋深時(shí)，地表處的土側(cè)壓力系數(shù)和圍巖變形的規(guī)律。

但對(duì)于不同隧道埋深開挖引起的地表變形研究較少，本文以某地鐵區(qū)間隧道為依托，采用有限元Midas-NX建立三維模型，研究不同覆土厚度對(duì)地層變形的影響研究，為后續(xù)的施工提供依據(jù)。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 單元類型及材料參數(shù)

隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)選取彈性材料，初期支護(hù)采用板單元模擬，二襯結(jié)構(gòu)采用修改單元屬性的計(jì)算模塊，通過設(shè)定特有邊界修改單元屬性。鎖腳錨桿選用圓形截面的植入式桁架單元進(jìn)行模擬，并且按照設(shè)計(jì)注漿錨桿進(jìn)行軸向剛度等效。

2.2 計(jì)算模型

考慮到隧道開挖時(shí)對(duì)四周的影響范圍，有限元模型的水平尺寸取4倍的開挖寬度，豎向長度取隧道底部向下3倍的洞徑。有限元模型的尺寸為72 m×35 m×30 m。

有限元模型的左右兩側(cè)僅施加法向約束，底面施加水平和豎向的約束，上表面定義為自由邊界，土體材料采用修正的摩爾—庫侖。有限元模型見圖1。

3 結(jié)果分析

為研究隧道埋深變化對(duì)地層變形的影響，共設(shè)計(jì)了4種不同的隧道埋深方案，分別取3 m,6 m,12 m和24 m。以便得到在相同隧道支護(hù)條件和土層條件的情況下，隧道在超淺埋、淺埋和深埋條件下地層變形規(guī)律。

為排除不同隧道周邊土層變化的影響，將隧道底部以上的土層材料參數(shù)均統(tǒng)一為粉質(zhì)黏土層。

雙隧道開挖不同隧道埋深下地表的變形規(guī)律見圖2。由圖2可知，當(dāng)隧道埋深為3 m時(shí)，地表沉降的最大值為7.4 mm，出現(xiàn)在左線隧道的頂部上方位置，地表沉降曲線形態(tài)呈現(xiàn)較為顯著的雙峰曲線。隨著隧道埋深的增大，地表沉降的變形形態(tài)逐漸由雙峰形式轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏逍问健Ｓ纱丝梢?，隧道埋深越大，隧道間土體受擾動(dòng)越明顯，隧道上方土體變形的疊加程度越顯著。從圖2可知，隨著隧道埋深逐漸增加，隧道上方的地表沉降值也隨之增加。分析主要原因?yàn)椋?)由于模型中采用土層參數(shù)為粉質(zhì)黏土的力學(xué)參數(shù)，土質(zhì)較為松軟，隧道頂部不易形成壓力拱；2)雙隧道開挖相對(duì)于單個(gè)隧道而言，開挖擾動(dòng)區(qū)域較大，這就造成了被擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)的土體不易產(chǎn)生壓力拱的自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，上覆土壓力隨著埋深增大而增大，造成隧道變形增加。

地表沉降實(shí)際是由隧道開挖后，拱頂沉降變形傳遞到地表而引起的，而地層變形傳播率(地表沉降/拱頂沉降)是反映地層變形傳遞規(guī)律的主要指標(biāo)。可以發(fā)現(xiàn)隨著隧道埋置深度的增加，地層變形傳播率逐步減小，隧道開挖的影響向地表傳播的程度越來越小。

4 結(jié)語

論文采用Midas-NX建立三維有限元模型，研究不同埋深和厚度對(duì)地層變形的影響，得出隨著隧道埋深的增大，雙隧道開挖引起的土層變形也隨之增大，主要是由于雙隧道開挖將引起更大面積的土體擾動(dòng)，難以形成上覆土拱效應(yīng)，上覆土壓力隨隧道埋深的增加而增大，進(jìn)而造成地表沉降的增大。

[1] 韓健勇,趙 文,關(guān)永平,等.地鐵車站洞樁法開挖變形規(guī)律分析[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),2015,32(4):623-629.

[2] 晏 莉.盾構(gòu)法雙管隧道施工引起的地表沉降預(yù)測(cè)及特征分析[J].隧道建設(shè)，2015，35(5)：419-427.

[3] 李曉嬌，歐陽煜.不同土質(zhì)中隧道埋深對(duì)地表沉降的影響[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，33(2)：202-206.

[4] 胡學(xué)兵，喬玉英．埋深和跨度對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬研究[J].公路隧道，2005(2):5-9.

[5] 李倩倩，張頂立，張成平，等．不同埋深下暗挖隧道施工的地層響應(yīng)[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，37(1):27-33.

[6] 馬險(xiǎn)峰，王俊淞，李削云，等．盾構(gòu)隧道引起地層損失和地表沉降的離心模型試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34(5):942-947.

[7] 毛 峰.黃土隧道深淺埋分界方法研究[D.西安:西安理工大學(xué)，2007.