地鐵隧道施工對(duì)地表沉降變形的影響分析

摘 要：為研究地鐵隧道施工對(duì)地表沉降的影響。本文依托某城市地鐵工程，基于ABAQUS數(shù)值模擬研究了地鐵隧道開挖對(duì)地表沉降變形的影響。系統(tǒng)分析了兩個(gè)典型斷面的地表橫向和縱向沉降變形規(guī)律。結(jié)果表明：地表的橫向沉降變形呈“W”形分布，實(shí)測和數(shù)值模擬得到斷面1和斷面2的最大沉降變形分別為14.6mm和14.2mm，證明本文的數(shù)值模擬是科學(xué)的；當(dāng)與掌子面的距離大于20m時(shí)，地鐵隧道開挖對(duì)地表的沉降變形影響越來越小，斷面1盾構(gòu)下穿的粉質(zhì)黏土厚度比較大，綜合來看，斷面2的自穩(wěn)性較好，斷面2的沉降值小于斷面1的沉降變形。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道；穩(wěn)定性；地表沉降；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U 45" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全國各地的地鐵隧道工程取得了長足進(jìn)步。但在實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)，地鐵隧道經(jīng)常會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的地表沉降變形。張昭和李婷婷[1]基于流固耦合理論研究了鄭州地鐵隧道開挖對(duì)地表變形的影響。結(jié)果表明，在隧道開挖前，滲流場有效應(yīng)力沿水平方向均勻分布，地表沉降隨隧道埋深增加而變大，且地下水位越低對(duì)地表沉降的影響越小。衛(wèi)建軍[2]基于FLAC3D數(shù)值模擬系統(tǒng)研究了黃土地鐵隧道施工圍巖及地表變形規(guī)律。結(jié)果表明，采用臺(tái)階法施工產(chǎn)生的地表橫向位移呈“V”形，且最大地表沉降出現(xiàn)在隧道中線偏右方約3m處。此外，沉降量隨開挖掌子面距離的增加而變小。孫小菊等[3]基于FLAC3D數(shù)值模擬研究了淺埋暗挖法對(duì)地表建筑物的影響。結(jié)果表明，建筑物傾斜程度及不均勻沉降隨著與隧道軸線距離縮短而變大。地表沉降主要受控于施工工藝水平、結(jié)構(gòu)形式以及地質(zhì)水文的差異性。

既有研究多考慮地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降問題，其中，雙向隧道對(duì)地表沉降的影響較復(fù)雜，相關(guān)研究不夠深入。考慮目前研究存在不足，本文根據(jù)某地鐵隧道工程，采用ABAQUS數(shù)值模擬系統(tǒng)分析了隧道開挖對(duì)地表沉降的影響。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。本文的研究可為類似隧道的施工提供參考。

1 工程概況及數(shù)值模擬

1.1 工程概況

研究隧道為某城市地鐵盾構(gòu)隧道。區(qū)間地面高程約為86～88.6m。隧道左線長度位移為899.2m，右線長度位移為1780.1m。研究區(qū)主要出露第四系地層。根據(jù)鉆孔資料揭示，地層厚度約為50～200m，且厚度自東向西逐漸變薄。沿線路地形起伏度較小，地面標(biāo)高為0～15m，相對(duì)高差小于1m。研究區(qū)場地30m深度范圍內(nèi)主要為第四系全新統(tǒng)地層。地層由上到下分別為填土、粉土、中粗砂、粉質(zhì)黏土和粉土。

該地鐵隧道施工方法主要采用盾構(gòu)法施工，隧道設(shè)計(jì)埋深為12m，隧道外徑和管片厚度分別為5.5m和0.3m，左線和右線隧道為水平平行設(shè)計(jì)，水平間距約為12m。研究區(qū)降雨量充沛，降水多數(shù)以地表徑流方式匯入河溝，其余降水沿第四系基巖孔隙深入地下，是地下水補(bǔ)給的主要來源。

1.2 數(shù)值模型

采用ABAQUS數(shù)值有限元建立計(jì)算模型（圖1）。為提高計(jì)算效率，將數(shù)值模型設(shè)置為立方體，假定隧道為規(guī)則圓形。為有效研究隧道開挖對(duì)地表沉降變形的影響，本文建立了2個(gè)斷面模型。其中斷面1隧道中心埋深為15m，斷面2隧道中心埋深為12m。模型的邊界條件：左右邊界約束水平方向的位移，底部邊界約束3個(gè)方向的自由度，上表面為自由邊界。巖土體計(jì)算模型為摩爾庫倫本構(gòu)模型。模型網(wǎng)格采用C3D8R減縮積分單元。模型網(wǎng)格總數(shù)為84210。綜合以上分析，本文數(shù)值模型尺寸：斷面1長度為100m，寬度位移為70m，高度位移為35.2m；斷面2長度為100m，寬度位移為70m，高度位移為33.8m。隧道支護(hù)采用預(yù)制混凝土管片支護(hù)，襯砌采用結(jié)構(gòu)單元，本文中的巖土體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)見表1。為簡化計(jì)算，本文數(shù)值模擬計(jì)算不考慮地下水作用。隧道襯砌的彈性模量為38MPa，重度為28kN/m3，泊松比為0.22，厚度為0.3m。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 斷面1沉降分析

通常，隧道在開挖過程中會(huì)產(chǎn)生危巖應(yīng)力釋放，從而導(dǎo)致隧道及隧道附近地出現(xiàn)沉降變形。國內(nèi)規(guī)范規(guī)定30mm為控制地下工程開挖對(duì)地面環(huán)境的不利影響的極限值。

為驗(yàn)證本文數(shù)值模型的可靠性，以斷面1為研究對(duì)象，分析斷面1的實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的差異性（圖2）。其中，斷面1隧道穿越的地層主要有粉土、黏土及中粗砂。現(xiàn)場實(shí)測監(jiān)測點(diǎn)位于隧道中心線位置正上方的地表處。圖2是斷面1處地表實(shí)測橫向沉降值的數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果的對(duì)比圖。結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測值吻合度基本相同。隨著與隧道中心水平距離的增加，地表沉降變形呈現(xiàn)先增后減的趨勢。其中模擬的最大沉降變形為-14.3mm，現(xiàn)場實(shí)測的最大沉降變形為-15.6mm。兩者的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。此外，數(shù)值模擬與實(shí)測沉降變形均小于規(guī)范規(guī)定的30mm以內(nèi)，說明隧道開挖引起的地表沉降數(shù)值滿足安全性要求。

圖3是地鐵盾構(gòu)隧道斷面1地表縱向沉降變形曲線實(shí)測值與數(shù)值模擬值。結(jié)果表明，數(shù)值模擬與實(shí)測值吻合度較高。其中，地表縱向沉降變形隨距隧道中心水平距離的增加而先增加后趨于平穩(wěn)。其中模擬的最大沉降變形為-15mm，現(xiàn)場實(shí)測的最大沉降變形為-14.3mm，兩者的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。對(duì)比圖3（a）和圖3（b）結(jié)果，隧道左右兩線的地表縱向沉降變形規(guī)律基本相同。在開挖過程中，掌子面前方第一范圍內(nèi)的地表出現(xiàn)隆起變形。在隧道開挖后，距離掌子面20m左右的地表縱向沉降變形趨于平穩(wěn)，證明隧道開挖對(duì)地表的沉降變形影響減弱。

2.2 斷面2沉降分析

以斷面2為研究對(duì)象，分析斷面2的實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的差異性（圖4）。其中，現(xiàn)場實(shí)測監(jiān)測點(diǎn)位于隧道中心線位置正上方的地表。圖4是斷面2處地表實(shí)測橫向沉降值的數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果的對(duì)比圖。結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測值吻合度基本相同。隨著與隧道中心水平距離的增加，地表沉降變形呈現(xiàn)先增后減的趨勢。其中模擬的最大沉降變形為-7.2mm，現(xiàn)場實(shí)測的最大沉降變形為-7.6mm。兩者的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。數(shù)值模擬與實(shí)測沉降變形均小于規(guī)范規(guī)定的30mm以內(nèi)。說明隧道開挖所引起的地表沉降滿足安全性要求。此外，與斷面1的地表沉降變形相比，由于斷面1盾構(gòu)下穿的粉質(zhì)黏土厚度比較大，因此該斷面的自穩(wěn)性較好，斷面2的沉降值小于斷面1的沉降變形。

圖5為地鐵盾構(gòu)隧道斷面2地表縱向沉降變形曲線實(shí)測值與數(shù)值模擬值。結(jié)果表明，數(shù)值模擬與實(shí)測值吻合度較高。其中，隨著與隧道中心水平距離的增加，地表縱向沉降變形先增加后趨于平穩(wěn)。對(duì)比圖5（a）和圖5（b）的結(jié)果，隧道左右兩線的地表縱向沉降變形規(guī)律基本相同。在開挖過程中，掌子面前方第一范圍內(nèi)的地表出現(xiàn)隆起變形。在隧道開挖后，距離掌子面20m左右的地表縱向沉降變形趨于平穩(wěn)，證明隧道開挖對(duì)地表的沉降變形影響減弱。此外，與斷面1的地表沉降變形相比，由于斷面1盾構(gòu)下穿的粉質(zhì)黏土厚度比較大，因此綜合來看，斷面2的自穩(wěn)性較好，斷面2的沉降值小于斷面1的沉降變形。

2.3 注漿層厚度對(duì)地表沉降影響

在實(shí)際工程中，通常采用注漿手段對(duì)隧道進(jìn)行加固，為研究注漿厚度對(duì)地表沉降的影響，本文計(jì)算了注漿厚度分別為0m、0.1m、0.2m和0.3m工況下地表沉降的影響（圖6）。結(jié)果表明，地表沉降位移隨注漿厚度的增加而明顯變小，地表沉降最大位置出現(xiàn)在隧洞拱頂處，當(dāng)注漿厚度為0.0m時(shí)，對(duì)應(yīng)的地表最大沉降為49.6mm，當(dāng)注漿厚度為0.1m時(shí)，對(duì)應(yīng)的地表最大沉降為10.86mm，當(dāng)注漿厚度為0.2m時(shí)，對(duì)應(yīng)的地表最大沉降為8.9mm，當(dāng)注漿厚度為0.3m時(shí)，對(duì)應(yīng)的地表最大沉降為8.6mm?？梢钥闯?，在一定范圍內(nèi)，注漿厚度越大，地表沉降位移越小。但在實(shí)際工程中，注漿厚度過大會(huì)對(duì)圍巖應(yīng)力造成不利影響，同時(shí)根據(jù)本文研究結(jié)果，注漿厚度由0.1m增至0.3m時(shí)，地表沉降變形變小幅度并不明顯。

3 結(jié)論

本文依托某城市地鐵隧道工程，基于ABAQUS數(shù)值模擬研究了地鐵隧道開挖對(duì)地表沉降變形的影響。系統(tǒng)分析了兩個(gè)典型斷面的地表橫向和縱向沉降變形規(guī)律。得到以下結(jié)論。1）典型斷面1和斷面2的地表沉降變形規(guī)律基本相似，且數(shù)值模擬得到的結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差均在5%內(nèi)，證明本文數(shù)值模擬是科學(xué)的。2）其中，地表橫向變形隨著與隧道中線距離的增加呈先增后減的趨勢。隧道拱頂位置處的沉降變形最大，拱底隆起變形最大。斷面1的最大沉降值和橫向沉降值分別為24mm和15mm；斷面2的最大沉降值和橫向沉降值分別為8.2mm和7.0mm；3）當(dāng)與掌子面的距離大于20m時(shí)，地鐵隧道開挖對(duì)地表的沉降變形影響越來越不顯著。地表沉降變形趨于平穩(wěn)。綜合來看，本項(xiàng)目沉降變形均小于規(guī)范規(guī)定的30mm。證明隧道開挖引起的地表沉降值是滿足安全性要求的。4）地表沉降位移隨注漿厚度的增加而明顯變小，地表沉降最大位置出現(xiàn)在隧洞拱頂處。在一定范圍內(nèi)，注漿厚度越大，地表沉降位移越小，但注漿厚度由0.1m增至0.3m時(shí)，地表沉降變形變小幅度不明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]張昭，李婷婷.基于流固耦合理論的鄭州地鐵隧道開挖數(shù)值模擬[J].河南科學(xué)，2017，35（8）：1304-1308.

[2]衛(wèi)建軍.黃土地鐵隧道施工圍巖及地表變形規(guī)律[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2018，18（11）：287-292.

[3]孫小菊，姬程飛，劉濤.淺埋暗挖法對(duì)地表建筑物的影響研究[J].建筑技術(shù)，2017，48（11）：1214-1216.