暗挖地鐵區(qū)間施工對周邊環(huán)境的影響研究

陳 菊

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，現(xiàn)有城鎮(zhèn)的地上空間已經(jīng)不能滿足人民日益增長的需求，所以大力開發(fā)地下空間逐漸成為主要趨勢，其中隧道工程是應(yīng)用最為廣泛的手段［1－3］。在城市隧道施工過程中，隧道開挖會對原有地層產(chǎn)生擾動并使地層應(yīng)力改變，從而造成地表較大變形及路面塌陷等情況，嚴(yán)重威脅到人民的生命財產(chǎn)安全，所以需要對隧道開挖時的地表沉降及隧道本身的變形情況進行深入研究與有效控制［4－5］。

對于隧道變形與地表沉降的分析，有很多較為成熟的方法，包括理論計算、模型試驗及數(shù)值模擬等［4－8］。其中伴隨著計算機科技的發(fā)展，由于數(shù)值模擬更能直觀地展現(xiàn)出隧道開挖時的土體變形等相關(guān)分析結(jié)果，避免較大工程問題的出現(xiàn)而逐漸成為最普遍也是應(yīng)用最廣泛的分析方法。

劉波等［9］應(yīng)用大型有限差分軟件 FLAC2D／3D對盾構(gòu)施工期間地表沉降對某購物中心建筑基礎(chǔ)的影響程度進行分析并給出合理的解決方案。趙華松［10］通過三維有限元數(shù)值模擬的方法對上海地鐵明珠線某處的隧道區(qū)間施工出現(xiàn)的地表沉降情況進行分析，并結(jié)合模擬結(jié)果與實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析得到隧道開挖時影響范圍內(nèi)的地層沉降規(guī)律，并利用計算機技術(shù)開發(fā)出了隧道施工力學(xué)分析系統(tǒng)。楊福麟等［11］利用大型通用巖土工程分析軟件MIDAS／GTS對武漢地鐵虎名區(qū)間采用礦山法進行的隧道開挖工程為背景，對施工過程的隧道變形及地表沉降情況進行分析，提出了隧道開挖期間的圍巖優(yōu)化方案。曹波等［12］通過地鐵暗挖隧道施工的數(shù)值分析，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行對比分析，研究地鐵暗挖隧道初期支護變形特性。崔鳳［13］通過某工程實例介紹了淺埋暗挖法施工對臨近建筑物的影響，并提出了相應(yīng)的風(fēng)險控制措施。

本文以哈爾濱地鐵某區(qū)間隧道開挖工程為依托，利用大型通用巖土工程分析軟件MIDAS／GTS建立隧道工程的有限元數(shù)值模型，將最后模擬結(jié)果得到的地表沉降結(jié)果與實際監(jiān)測值吻合度進行分析，驗證模型的合理性，在此基礎(chǔ)上對隧道斷面的變形進行分析，與此同時選取單洞與雙洞兩種施工工況，對隧道開挖的合理施工方法進行分析，為以后類似工程的施工提供參考。

1 工程背景

工農(nóng)大街站—終點區(qū)間，從工農(nóng)大街站開挖，順麗江路向東前進通過半徑3 m的曲線，至麗江路到達終點。區(qū)間起訖里程為DK42＋445．683—DK42＋869．516，區(qū)間全長 424．678 m，地層剖面圖見圖 1。區(qū)間隧道為礦山法施工，隧道豎向采用單向坡，最大坡度是1．51%，拱頂滿身是15．20 m。兩隧道之間的軸線距離是14 m，隧道初襯厚度為0．25 m，二襯支護厚度是0．30 m，見圖2。

圖1 地層剖面圖

圖2 隧道的斷面圖

2 數(shù)值模型的建立

2．1 基本假定

有限元模型中考慮以下基本假定：

（1）材料采用修正Mohr－Coulomb破壞屈服準(zhǔn)則，考慮土體卸載和重加載剛度硬化。

（2）各土層均簡化為勻質(zhì)成層水平分布。

（3）本暗挖隧道的施工是在降水的前提下進行施工，無需考慮地下水滲流在隧道開挖過程中的影響。

2．2 單元類型及材料參數(shù)

隧道的圍護結(jié)構(gòu)選用彈性材料，隧道初襯采用三維板單元模擬，二襯支護結(jié)構(gòu)采用修改單元屬性的計算模塊，通過設(shè)定特有邊界修改單元屬性。隧道的鎖腳錨桿選用植入式桁架單元，并選用圓形斷面，其剛度按照其軸向剛度等效。本模型根據(jù)場地地質(zhì)特點，將場地土簡化為四層，各層土的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)表

2．3 計算模型

按照隧道開挖的影響范圍大小，計算模型范圍在水平和豎直方向取3～5倍隧道的跨度，向上取至地表。模型在水平方向取4倍的隧道開挖斷面寬度，豎直方向從隧道底部開始取向下3倍洞徑。有限元模型的長寬高分別取72 m×30 m×35 m。

模型的左右兩側(cè)約束水平方向的位移，底面約束水平和豎向方向上的位移，上表面為自由邊界。土體材料均采用可考慮土體硬化和剛度與應(yīng)力相關(guān)性的修正莫爾－庫侖模型。該模型共有14 154個節(jié)點，13 960個單元。其計算模型見圖3。

圖3 有限元模型

3 數(shù)值模擬值與實際監(jiān)測值對比分析

3．1 監(jiān)測方案

針對隧道上方的地表沉降，沿軸線方向每隔50 m～100 m布置測點，并且地表測點頂部露出地表應(yīng)控制在5 mm以內(nèi)，見圖4（a）。針對拱頂沉降，同一斷面在拱腰部位布收斂測點，每間隔10 m布設(shè)一斷面，見圖 4（b）。

圖4 監(jiān)測點布置

3．2 結(jié)果對比分析

針對雙線隧道施工過程中對地表沉降和水平收斂進行研究。選取左線隧道剛好貫通，右線隧道臺階開挖至15 m處的地表沉降量與實測地表沉降量進行對比。

3．2．1 地表沉降規(guī)律分析

（1）縱向地表沉降規(guī)律。圖5是隧道施工過程中縱向地表沉降云圖，由圖5可知，沉降范圍集中在左線隧道上部地表，沉降量從開挖初始至貫通結(jié)束逐漸減小，最大地表沉降量位于隧道洞頂，且左線隧道沉降范圍大于右線。

圖5 縱向地表沉降云圖

開挖面不同距離的左、右線地表沉降模擬值和監(jiān)測值的對比曲線見圖6。為更好的反映地表沉降規(guī)律，對該監(jiān)測斷面點進行了加密布置，截面沿隧道開挖方向分別取左、右線隧道中軸線為剖面，獲取地表沉降值。由圖6可知，受隧道開挖時空效應(yīng)的影響，開挖面以后地表沉降量大于開挖面前方未開挖處地表沉降量，開挖面前方未開挖10 m范圍內(nèi)為掌子面擾動影響區(qū)，開挖面1．5D外幾乎不受掌子面開挖影響，沉降量控制在3 mm以內(nèi)。隧道左線先開挖，縱向沉降量大于右線隧道縱向沉降量，最大沉降量為19．41 mm，右線最大沉降量為 18．51 mm，分析因為左線隧道沉降完全，右線隧道在后續(xù)施工過程中還會產(chǎn)生沉降，但由于左線隧道施工對右線為施工地層起到加固作用，故右側(cè)沉降量小于左線。沉降監(jiān)測值與計算值較為相近，說明模擬結(jié)果真實可靠，可用來預(yù)測相應(yīng)模型。

圖6 地表沉降的數(shù)值模擬值和監(jiān)測值對比曲線

（2）橫向地表沉降規(guī)律。圖7是隧道施工過程中橫向地表沉降云圖，由圖7可見，隧道橫向沉降在雙線隧道各自洞頂最大，向上地表延伸相互接合，左線隧道施工完畢，最大回彈量為6 mm，而右線隧道正處于施工階段，核心土處回彈量最大，向下呈U形分布；在雙線隧道地表中軸線處，呈現(xiàn)出拱形沉降等值線分布形式，隧道施工對上部土體沉降影響范圍處于4D范圍內(nèi)。

圖7 橫向地表沉降云圖

開挖面不同距離地表沉降值模擬值與沉降值的對比曲線見圖8。距隧道中軸線約40 m范圍內(nèi)，橫向方向取垂直于隧道開挖面為截面，分別選取距離施工面－12 m、－7 m、0 m、8 m、12 m處的實際監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析。由圖8可見，受隧道先后開挖順序的影響，右線隧道開挖至12 m時，距開挖面0 m時，地表沉降曲線呈現(xiàn)出軸對稱現(xiàn)象，并且最大沉降值偏向左邊隧道，說明雙線隧道開挖時，先施工的隧道引起的地表沉降量占總沉降量比例較大；開挖始發(fā)處（x＝－12 m）沉降最大，最大沉降量為13．1 mm，距開挖面－7 m處，最大地表沉降量為 －12．3 mm，施工面的最大沉降值為 11．4 mm；距開挖面8 m、12 m處為左線開挖右線未開挖段，沉降量產(chǎn)生在左線隧道之上，最大沉降量分別為－8．49 mm，－9 mm。選取開挖面前方監(jiān)測點中的有效測點，把地表沉降觀測值與計算值進行對比，圖中散點為監(jiān)測值，監(jiān)測值與模擬值擬合良好。監(jiān)測值略小于模擬值，這是由于在實際工程中，考慮了地層加固及支護作用，地表沉降量較計算值小。

圖8 地表沉降的模擬值和監(jiān)測值對比曲線

3．2．2 水平收斂分析

圖9為雙線隧道拱腰處水平收斂值。左線隧道頂部最大收斂值是4．2 mm，并且由隧道左上方向周圍擴散；左線隧道拱腰處最大水平收斂值為4．15 mm，位于隧道拱腰處，從橫斷面沿縱向延伸，呈層狀分布；左右線隧道之間產(chǎn)生輕微的水平收斂，最大水平收斂值為2．1 mm，分析由于受上覆土壓力和隧道內(nèi)部卸荷的影響，隧道出現(xiàn)了被擠壓的現(xiàn)象，拱腰周圍的土體向兩側(cè)發(fā)生移動。右線隧道最大水平收斂值為4．2 mm，水平收斂值從靠近隧道邊緣向外側(cè)地層逐漸減??；隧道頂部的最大水平位移是4．15 mm，橫向上隧道頂部最大，向兩邊逐漸減小。

圖9 雙線隧道水平收斂云圖

雙線隧道地表水平位移和拱腰水平位移模擬值見圖10。向隧道左側(cè)的水平位移記為“－”，反之為“＋”。由圖10可見，雙線隧道、地表水平位移分別呈正弦分布規(guī)律，雙線隧道水平位移方向與隧道頂部土體水平位移方向相反，呈8字型分布，由于隧道受上覆土體自重及內(nèi)部土體卸荷作用，導(dǎo)致隧道土體向外側(cè)發(fā)生變形，同時上部土體向下移動以彌補隧道水平位移產(chǎn)生的土體損失；雙線隧道間土體的水平位移變形較小，左線隧道周圍的土體向右移動，最大位移是2．1 mm，地表的最大水平位移與隧道水平位移幾乎相同。

圖10 隧道水平位移的模擬值

4 不同臺階長度對隧道縱剖面豎向位移的影響

為研究不同臺階長度對地層變形的影響，分別取0．5D、1．0D、1．5D、2．0D（D 為隧道開挖斷面跨度，約6 m），隧道上、下臺階的高度取開挖面高度的一半。另外，由于實際施工中兩隧道錯距開挖距離較大，單隧道受臺階長度的影響同樣十分重要。因此，分別對單個隧道和雙洞隧道進行模擬分析。

（1）單線隧道施工。由圖11的單個隧道豎向位移云圖可以看出，臺階長度的不同對開挖面處上方地表沉降的影響較大，隨著臺階長度的增加，其開挖面處上方地表沉降以及拱頂沉降也隨之增大。針對四種施工工況，當(dāng)上臺階的開挖面處于同一位置時，臺階長度為3 m（0．5D）的拱頂和地表沉降值最大，分別為13．2 mm和5．9 mm。當(dāng)臺階長度為6 m（1．0D）時，拱頂和地表沉降量分別增大 8．3 mm（63%）和4．9 mm（83%）；而隨著臺階長度的繼續(xù)增加，臺階長度為 9 m（1．5D）和 12 m（2．0D）時，地表沉降和拱頂沉降值則趨于穩(wěn)定，受臺階長度影響不明顯，見圖12。分析主要原因是由于臺階長度增加，襯砌閉合成環(huán)的時間變長，地層不能受到足夠的襯砌結(jié)構(gòu)約束而產(chǎn)生變形，進而引起地表沉降和拱頂沉降值增大。

圖11 隧道縱剖面的豎向位移云圖

圖12 單個隧道不同臺階長度豎向位移曲線圖

（2）雙線隧道施工。由圖13的雙隧道豎向位移云圖可以看出，受臨近隧道開挖的影響，隧道地表沉降與拱頂沉降值均有不同程度的增長，隧道上臺階開挖面附近的土體影響較為明顯。從云圖上可以看出，隧道開挖面上方的土體受擾動范圍較單個隧道工況有所擴大。與單個隧道相似，雙隧道開挖在臺階長度對地層豎向變形影響規(guī)律相同。

圖13 隧道縱剖面豎向位移云圖

5 結(jié) 論

論文采用MIDAS／GTS建立隧道施工的有限元分析模型，得到的數(shù)值分析結(jié)果與實際地表沉降監(jiān)測值吻合程度較高，并基于此有限元模型得到以下分析結(jié)果：

（1）隧道縱向開挖面前方未開挖10 m范圍內(nèi)為掌子面擾動影響區(qū)，1．5倍洞徑以外的幾乎不受隧道施工的影響；隧道橫向雙線隧道地表中軸線處形成拱形沉降等值線分布形式，上部土體沉降影響范圍處于4倍洞徑范圍內(nèi)；

（2）雙線隧道的最大水平位移出現(xiàn)在隧道外側(cè)拱腰處，左右線隧道之間產(chǎn)生輕微的水平收斂，雙線隧道、地表水平位移分別呈正弦分布規(guī)律且兩者位移方向相反；

（3）開挖過程臺階長度增加，不論是單軸還是雙軸隧道，在隧道縱軸方向均引起地表沉降和拱頂沉降值增大。

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