隧道開挖對臨近土體變形影響預測研究

徐新星

(東莞職業(yè)技術學院 建筑學院，廣東東莞 523808)

地鐵隧道開挖施工，會對原有土層造成一定程度的擾動，這是導致地面變形的重要原因，會引起一定范圍內(nèi)土體移動和地表沉陷[1]。它將影響到鄰近建筑物及地下管線的安全，影響周圍的環(huán)境。地鐵施工采用較多的盾構法區(qū)間隧道、暗挖法隧道日益增多，往往需要穿越建筑物密集、地下管網(wǎng)豐富、地質(zhì)情況復雜的城市中心地帶，故能滿足相當精度的隧道施工引起的土體變形預測方法愈加受到關注。

隧道開挖施工對鄰近土體變形的影響已引起行業(yè)專家的重視并開展了相關的研究：何清[2]開發(fā)了二維擋土結構土壓力與活動門模擬試驗裝置；黃鑫等[3]對加固綜合管廊斷面寬度范圍內(nèi)的土體進行仿真模擬；雷華陽等[4]基于透明黏土盾構隧道開挖面失穩(wěn)模型試驗，探究了開挖面失穩(wěn)擴展過程和失穩(wěn)特征；賀恒煒[5]以通過理論分析、現(xiàn)場實測等手段對地下鐵道開挖作用于既有臨近建筑沉降影響進行分析；范德偉等[6]基于Winkler彈性地基梁理論,分析了地下管線在地鐵開挖作用下的受力情況；鄧祥輝[7]等研究了地鐵隧道爆破施工對鄰近居民樓帶來的影響；岳長城[8]利用有限元軟件數(shù)值模擬，對地鐵車站暗挖廳施工土體變形進行了研究。

根據(jù)實際工程案列，建立有限元模型，綜合考慮土體位移及隧道受力變形的耦合分析成為研究隧道施工對鄰近土體變形影響的有效方法[9-10]。本文基于ANSYS 軟件建立相關模型進行了數(shù)值分析，分析了隧道兩種斷面開挖引起不同方向的土體變形，將為類似工程施工提供參考。

1 隧道開挖對臨近土體變形影響的數(shù)值分析

1.1 工程背景

廣州市軌道交通地鐵某區(qū)間段采用淺埋暗挖法施工，設置施工豎井，施工橫通道與使用期間聯(lián)絡通道結合設置。根據(jù)斷面的特點及斷面周圍的圍巖情況，確定實際中斷面的開挖方法。其中，標準斷面跨度較小、圍巖較差，考慮到既要實現(xiàn)分臺階開挖，又要實現(xiàn)支護及早封閉，所以可選擇短臺階法進行施工，這種方法將臺階長度定為10～15 m，即1～2倍開挖寬度；大跨斷面，由于其跨度較大，所以無法采用全斷面法或臺階法開挖，可采用施工安全，且控制地表沉降較好的雙側(cè)壁導坑法進行斷面開挖，這種方法相當于先開挖2個小跨度隧道，并可及時施作導坑周圍初期支護。本文主要研究以上兩種類型斷面：一種是區(qū)間隧道標準斷面；一種是區(qū)間隧道大跨斷面。

1.2 區(qū)間標準斷面地層參數(shù)

根據(jù)廣州地鐵隧道某區(qū)間連接段工程勘察資料，地質(zhì)情況自上至下大致分布如表1所示。

表1 標準斷面地層分布及參數(shù)表

1.3 區(qū)間大跨斷面地層參數(shù)

根據(jù)廣州地鐵隧道某區(qū)間連接段工程勘察資料，自上至下大致分布如表2所示。

表2 大跨斷面地層分布及參數(shù)表

1.4 內(nèi)力計算結果分析

本文選用Mohr-Coulomb來模擬土體，利用ANSYS軟件建立相關模型進行了數(shù)值分析，計算采用荷載—結構模型，應用有限元軟件進行模擬，單元類型為二維梁單元，梁單元寬度為單位寬度，梁高按二次襯砌實際厚度考慮。計算參數(shù)具體見表3。

表3 計算參數(shù)

1.4.1 標準斷面內(nèi)力計算結果

標準斷面施工階段的計算模型及單元劃分、計算彎矩圖和軸力圖分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖2 彎距圖(N·m)

圖3 軸力圖(N)

由數(shù)值計算結果可知，最大彎矩出現(xiàn)在標準斷面的左右側(cè)下部，約為69 KN·m，最大軸力也是出現(xiàn)在該位置，約為875 KN；這個位置在實際工程中也是容易出現(xiàn)破壞的薄弱點，說明了模型建立的合理性。

1.4.2 大跨斷面內(nèi)力計算結果

大跨面施工階段的計算模型及單元劃分、計算彎矩圖和軸力圖分別如如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 計算模型

圖5 彎距圖(N·m)

圖6 軸力圖(N)

與標準斷面類似，由數(shù)值計算結果可知，最大彎矩出現(xiàn)在大跨斷面的左右側(cè)下部，約為330 KN·m，最大軸力也是出現(xiàn)在該位置，約為1 500 KN；這個數(shù)值比標準斷面大很多，這是因為斷面尺寸帶來的差異。

1.5 位移計算結果分析

在進行位移分析時分別對標準斷面與大跨斷面進行計算，計算值與實測值進行了比較，結果表明建立的模型是合理的，且無論是大跨斷面還是標準斷面的位移都是極小的，不會對現(xiàn)場施工產(chǎn)生影響。在此過程中采用了兩種方法進行計算，其一是將馬蹄形斷面設為直墻拱形斷面進行計算：這也是數(shù)值計算中經(jīng)常采用的方法；其二仍是按馬蹄形斷面進行計算。兩種方法計算結果的差別可忽略不計，文中在上述兩種方法中分別只取一種類型的斷面進行敘述，方法一采用的是標準斷面，方法二采用的是大跨斷面。

1.5.1 區(qū)間標準斷面位移計算

在此計算中采用地層-荷載方法，將地層由地表至隧道底部依次建入模型中，取一半斷面進行分析，分別給出x方向與y方向的計算云圖。計算模型圖見圖7，x方向的位移云圖見圖8，y方向的位移云圖見圖9。

圖7 標準斷面位移計算模型圖

圖8 標準斷面x方向位移計算圖

圖9 標準斷面y方向位移計算圖

由計算分析可知，標準斷面在開挖后x方向的最大位移為2.2 mm，y方向的最大位移為1.5 mm，兩者均不會對實際施工產(chǎn)生影響，并且在施加混凝土襯砌后，位移值還將進一步減小，由此可知，在前述外力條件下，標準斷面的位移值對實際施工是安全的。

如圖10所示為實測值與計算值的對比圖。從圖可知，由于地表實際沉降值本身很小，實測值與計算值總體分布規(guī)律相近，數(shù)值也相差不大，總體吻合的較好，但是由于數(shù)值模擬過程中一些假設存在計算值總體上比實測值大。另外，隧道開挖對臨近土體變形影響主要體現(xiàn)在臨近隧道一定范圍內(nèi)，在x、y方向均有影響，這是由于斷面開挖開挖，使得臨近土體應力發(fā)生釋放及重分布，引起一定范圍的土體產(chǎn)生附加應力及位移。

圖10 計算值與實測值對比圖

1.5.2 區(qū)間大跨斷面位移計算

與標準斷面同理，計算仍采用地層-荷載方法，將地層由地表至隧道底部依次建入模型中，取一半斷面進行分析，分別給出x方向與y方向的計算云圖。計算模型圖見圖11，x方向的位移云圖見圖12，y方向的位移云圖見圖13。

圖11 大跨斷面位移計算模型圖

圖12 標準斷面x方向位移計算

圖13 大跨斷面y方向位移計算圖

由計算分析可知，標準斷面在開挖后x方向的最大位移為4.4 mm，y方向的最大位移為8.1 mm，相比標準斷面，大跨斷面位移相對較大，這是由于大跨斷面的跨度較大而造成的，但是該位移相比起大跨斷面的跨度是很小的，因此，此位移值不會對實際施工產(chǎn)生影響，并且在施加混凝土襯砌后，位移值還將進一步減小，由此可知，在前述外力條件下，大跨斷面的位移值對實際施工也是安全的

如圖14所示為大跨度斷面地表沉降實測值與計算值的對比圖。圖中地表沉降實測值與計算值總體的趨勢是一樣的，數(shù)值也相近，在離隧道3.4 m處，也就是第一個地表監(jiān)測點處相差稍大，相差約為8.3%，在容許(±10%)誤差之內(nèi)，故該模型的建立比較合理。

圖14 計算值與實測值對比圖

2 結語

1)本文結合城市地鐵隧道在施工中需考慮的結構應力和地質(zhì)情況，利用ANSYS軟件建立相關模型進行了數(shù)值分析，對變形進行預測，將計算值和實測值進行對比，結果顯示計算值和實測值分布規(guī)律非常接近，由于本構模型的建立過程中一些假設存在，使得計算值總體上比實測值大。

2)標準斷面和大跨段面在施工過程中，位移變形都是在容許的范圍內(nèi)，位移值不會對實際施工產(chǎn)生影響，并且在施加混凝土襯砌后，位移值還將進一步減小，兩種施工方法的選擇都是安全可靠的。

3)在某些隧道工程施工中，還需要考慮隧道開挖與鄰近地下構筑物的相互作用。如暗挖隧道施工過程中或者工后沉降引起的土體變形對鄰近原有建筑物基礎和地下室的影響等，需要進一步研究。