隧道施工參數(shù)對地表沉降的影響研究

吳 迪

(中國建筑上海設計研究院有限公司遼寧分公司， 遼寧 沈陽 110086)

中國經(jīng)濟的快速發(fā)展使人們在地面上的活動空間越來越狹窄，這就促使人們逐漸將空間利用的目光轉(zhuǎn)向地下，在地下空間的開發(fā)活動中，隧道建設成為主要的手段[1-4]。在隧道開挖過程中，其對周邊巖層或土體會產(chǎn)生較大擾動，而這之中地表沉降是最為明顯的表現(xiàn)之一[5-6]。較大的地表沉降會嚴重威脅到人民的生命財產(chǎn)安全，所以實現(xiàn)地表沉降的有效控制至關重要[7-8]。Peck R B[9]首先提出了沉降槽的思路，開創(chuàng)了隧道開挖對地表沉降計算的先河，后續(xù)有很多學者對其方法進行了改進。

漆泰岳[10]利用FLAC3D建立三維數(shù)值模型，對無或有建筑物條件下的地層和建筑物沉降特征進行對比研究，探討地鐵隧道施工引起建筑物沉降的安全控制標準。Ding Zhi等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)不考慮地表建筑自重的情況下沉降值與沉降槽計算結(jié)果會有較大差距。但是建筑物對地基產(chǎn)生的附加荷載對沉降結(jié)果影響很大，一般針對地表的沉降監(jiān)測都會在建筑物上布設監(jiān)測點。韓煊等[12]利用高斯曲線對現(xiàn)有的Peck公式進行了修正，但他在進行黏性土沉降分析時對沉降槽寬度系數(shù)的選取受到較大質(zhì)疑。袁長豐等[13]以膠州灣隧道開挖導致的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，建立考慮節(jié)理幾何特征的數(shù)學預估模型，依照隨機介質(zhì)理論，推導地表巖塊概率分布函數(shù)，建立單元巖塊沉降預測公式。孟益平等[14]采用ANSYS對青島某區(qū)間隧道進行分析，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值計算結(jié)果，研究隧道斷面開挖對地面沉降的影響。陳自海等[15]通過杭州某盾構(gòu)施工的實時監(jiān)測，采用ABAQUS有限元軟件研究了漿液彈性模量、注漿壓力及土艙壓力等因素對地表沉降的影響。

本文以哈爾濱地鐵某區(qū)間為依托，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，對隧道開挖過程進行模擬并對不同施工工況下的地表沉降結(jié)果進行分析，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，地址剖面見圖1。該隧道區(qū)間采用暗挖法施工，斷面形狀為單洞單線馬蹄形。區(qū)間豎向為單向坡，最大的坡度為1.509%，其上覆土厚度約為15.2 m，基礎模型中兩隧道軸線距離為14 m，隧道初襯和二襯支護厚度分別取0.25 m、0.30 m，見圖2。

圖1地層剖面圖

圖2隧道的斷面圖

本區(qū)間線路主要沿麗江路由北向南敷設，沿線主要建筑物為商業(yè)與居民樓。線路從工農(nóng)大街站引出后北行，向南敷設，到達終點。本區(qū)間施工方法為礦山法，其區(qū)間相連車站均采用明挖法施工，隧道開挖斷面為馬蹄形斷面。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 基本假定

三維模型中采用如下基本假定：

(1) 材料采用修正Mohr-Coulomb破壞屈服準則，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)均采用彈性材料，隧道初襯結(jié)構(gòu)采用三維板單元進行模擬，二襯支護結(jié)構(gòu)采用修改單元屬性的計算模塊，通過設定特有邊界修改單元屬性。隧道鎖腳錨桿采用植入式桁架單元，單元截面采用圓形斷面，按照原設計注漿錨桿進行軸向剛度等效。本模型根據(jù)場地地質(zhì)特點，將場地土簡化為四層土，各層土的物理力學參數(shù)見表1。

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。計算模型的豎直方向的深度為35 m，橫向?qū)挾葹?2 m，縱向長度取30 m。

模型的左右兩側(cè)約束水平方向的位移，底面約束水平和豎直方向上的位移，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力相關性的修正莫爾-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。

3 結(jié)果分析

3.1 不同臺階長度的影響

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)，上下臺階高度取隧道高度的一半。

表1 土層參數(shù)表

圖3有限元模型

單個隧道和雙隧道的土層變形總位移，見圖4和圖5。由圖4和圖5可以看出，土體變形最大處位置位于隧道頂部起始開挖處，這是由于隧道起始開挖處受擾動時間較長，會產(chǎn)生比其他位置更多的變形。

對于單線隧道，0.5D和1.0D臺階長度開挖引起的縱向土體變形分別是5.9 mm和10.8 mm，后續(xù)隨著臺階長度的增加，對土體縱向變形影響較小。對于雙線隧道和單線隧道的規(guī)律相似，0.5D和1.0D臺階長度開挖引起的縱向土體變形分別是6.7 mm和11.2 mm，后續(xù)隨著臺階長度的增加，對土體縱向變形影響較小?？傮w來說，臺階長度的增加擴大了隧道開挖引起土體擾動的影響范圍，但當臺階長度是1.0D后，對土體擾動的趨勢減弱。

圖4單線隧道總位移云圖

根據(jù)上述分析可知，臺階長度對于地層變形產(chǎn)生較大影響：臺階的長度越長，拱頂沉降量和地表沉降就越大。因此應避免過長的臺階長度。但臺階長度過短會造成開挖面前方土體失穩(wěn)，造成開挖面前方土體坍塌。當臺階的長度約為1倍的隧道開挖寬度時，開挖面前方土體能夠在核心土和下臺階土的平衡作用下保持穩(wěn)定。除此之外，在施工過程中應采取加固措施，盡早封閉成環(huán)，以便控制開挖面穩(wěn)定性。

3.2 不同隧道錯距長度的影響

在實際隧道開挖施工過程中，不同隧道(或?qū)Ф?之間的開挖錯距長度對土體變形以及支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性都會產(chǎn)生一定的影響。

根據(jù)不同隧道錯距長度，進行暗挖隧道開挖數(shù)值模擬，對比不同隧道錯距長度對地層變形以及支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。兩隧道開挖面的錯距分別取0.0D、1.0D、2.0D和3.0D，其他參數(shù)均與基礎模型相同。通過不同隧道錯距長度對隧道開挖的影響分析，得出合理有效的隧道施工開挖方法，對實際施工進行指導。

從四種隧道錯距開挖方案的豎向位移和總位移的對比可知，在隧道埋深較大(約11 m)、隧道間距較遠(約14 m)的情況下，隧道開挖面的錯距多少對施工中的變形控制影響效果并不明顯，當兩隧道同時開挖的時候產(chǎn)生的土體變形稍大。地表沉降最大值均在13.4 mm～14.0 mm之間，拱頂沉降最大值出現(xiàn)在右線隧道頂部，約為18.0 mm～19.5 mm。隧道上方土體的總變形量和土體擾動范圍受隧道開挖面錯距距離的影響也不顯著。

圖5雙線隧道總位移云圖

4 結(jié) 論

論文采用有限元數(shù)值模擬的方法建立隧道開挖的三維模型。分別對不同臺階長度、隧道錯距長度和隧道埋深等關鍵參數(shù)引起的地層變形規(guī)律進行研究，得出以下結(jié)論：

(1) 雙隧道開挖在隧道開挖的縱向和橫向都出現(xiàn)了更大范圍的土體擾動區(qū)域，顯然雙線隧道開挖施工過程中將產(chǎn)生更大的施工風險。

(2) 當兩隧道埋深較深且距離較遠時，隧道錯距帶來的土層變形的影響并不顯著，可以忽略不計。但在實際工程中，為保證兩隧道間土體的穩(wěn)定性，減小隧道上方土體變形，需采用錯距開挖隧道。

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