隧道施工地表沉降參數(shù)敏感性分析

摘要：為研究隧道施工過程中地表沉降的影響因素，文章以某隧道施工工程項(xiàng)目為研究對象，基于有限元軟件，分析不同相對埋深（隧道中心點(diǎn)到地表距離與隧道直徑之比）、土體類型、壓縮模量、粘聚力、泊松比、內(nèi)摩擦角等條件下地表沉降變化規(guī)律。結(jié)果表明：相對埋深越大、壓縮模量、粘聚力、泊松比、內(nèi)摩擦角、地表最大沉降量越大；不同土體類型的地表最大沉降量大小分別為：填土＞黏土＞砂土；不同土體類型的地表沉降槽寬度大小分別為：填土＞黏土＞砂土。

關(guān)鍵詞：隧道施工；地表沉降；數(shù)值模擬；影響因素

中圖分類號：U456.3" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.048

文章編號：1673-4874（2024）11-0163-04

0引言

隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城市常住人口也隨之在飛速增多，為提高人民生活的便捷性與幸福感，越來越多的地下工程——隧道項(xiàng)目在逐漸落實(shí)［1］。地表沉降作為隧道施工過程中常見的工程問題，對地面建筑物及周圍環(huán)境易造成不良影響［2］。因此，亟須對隧道施工過程中影響地表沉降的因素進(jìn)行研究。

目前，國內(nèi)外學(xué)者分別從不同角度對隧道施工地表沉降進(jìn)行了一系列研究，陳天慧［3］基于ABAQUS有限元軟件，研究了地表埋深、等代層厚度、注漿層彈性模量等在盾構(gòu)隧道施工過程中對地表沉降的影響；袁海梁等［4］利用FLAC3D有限元軟件，總結(jié)了常見的隧道施工方法，分析了隧道開挖前后圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律，并研究了臺(tái)階法施工過程中隧道斷面的位移演化規(guī)律；梁松林等［5］以廣西某富水軟弱地層隧道項(xiàng)目為研究背景，分析了注漿加固、超前小導(dǎo)管支護(hù)以及管棚預(yù)加固前后、單獨(dú)加固、組合加固3種工況下地表沉降規(guī)律；賈興明等［6］闡述了淺埋暗挖法隧道施工技術(shù)引起地表沉降的原理，并從施工技術(shù)、地表沉降控制等角度進(jìn)行了研究；李映等［7］對一次注漿技術(shù)、二次注漿技術(shù)、同步注漿技術(shù)等加固措施進(jìn)行了介紹，最后基于有限元軟件，研究了注漿壓力及注漿時(shí)間對地表沉降量的影響；侯豐等［8］基于PLAXIS有限元軟件，對深厚軟土盾構(gòu)隧道施工過程中地表沉降進(jìn)行了研究，并分析了單線、雙線隧道施工的地表沉降規(guī)律。綜上所述，隧道施工過程中地表極易發(fā)生沉降變形，但對引起地表沉降的因素的研究較少。

鑒于此，本文以某隧道施工工程項(xiàng)目為研究對象，基于有限元軟件，分析不同相對埋深H/D（隧道中心點(diǎn)到地表距離與隧道直徑之比）、土體類型、壓縮模量、粘聚力、泊松比、內(nèi)摩擦角等條件下地表沉降變化規(guī)律。對沉降控制及地表建筑物的保護(hù)具有重要意義。

1工程概況

本文以某隧道施工工程項(xiàng)目為研究對象，經(jīng)實(shí)地勘探可知，土質(zhì)自上而下分別為：填土、粉質(zhì)黏土、黏土、粉砂、中砂。該工程范圍內(nèi)最大河流為黃河，河面寬度范圍為150～600m，導(dǎo)致土質(zhì)較為濕潤；洞口埋深較淺，隧道圍巖等級為Ⅴ級，現(xiàn)場采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工。項(xiàng)目所在區(qū)域受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，雨量豐沛、空氣濕潤，平均氣溫在15.0℃～18.0℃。

2數(shù)值模型的建立

本文基于有限元軟件建立該隧道模型，由于隧道的對稱性，本文僅對一側(cè)沉降進(jìn)行研究，隧道數(shù)值模型如圖1所示。

由圖1可知，填土厚度為4m、粉質(zhì)黏土厚度為6m、黏土厚度為20m、粉砂厚度為20m、中砂厚度為10m；隧道中心線距邊界為60m，設(shè)置隧道直徑D=10m，隧道埋深設(shè)置為H。各土質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)如下頁表1所示。

3結(jié)果分析

隧道開挖過程中，由于土體初始狀態(tài)發(fā)生了改變，[JP]導(dǎo)致地表發(fā)生沉降變形；隧道埋深、隧道直徑、土體摩擦系數(shù)、粘聚力等均對地表沉降產(chǎn)生影響。故本文研究不同相對埋深H/D（隧道中心點(diǎn)到地表距離與隧道直徑之比）、土體類型、壓縮模量、粘聚力、泊松比、內(nèi)摩擦角等條件下地表沉降變化規(guī)律。

3.1相對深度及土體類型分析

本文設(shè)置4種相對埋深H/D梯度：1、2、3、4；3種土體類型：填土、黏土、砂土。H/D=1工況下土體類型對地表沉降量的影響如圖2所示。

由圖2可知，地表沉降量隨距隧道中心線距離的增大在逐漸減小，地表沉降量大小為：填土＞黏土＞砂土。隧道中心線處地表沉降量最大，分別為：1.07m（填土）、0.28m（黏土）、0.2m（砂土）。沉降量曲線斜率也在逐漸減小。

H/D=2工況下土體類型對地表沉降量的影響如圖3所示。

由圖3可知，地表沉降量隨距隧道中心線距離的增大在逐漸減小，地表沉降量大小為：填土＞黏土＞砂土。隧道中心線處地表沉降量最大，分別為：0.62m（填土）、0.24m（黏土）、0.12m（砂土）。沉降量曲線斜率也在逐漸減小。

H/D=3工況下土體類型對地表沉降量的影響如圖4所示。

由圖4可知，地表沉降量隨距隧道中心線距離的增大在逐漸減小，地表沉降量大小為：填土＞黏土＞砂土。隧道中心線處地表沉降量最大，分別為：0.55m（填土）、0.23m（黏土）、0.07m（砂土）。沉降量曲線斜率也在逐漸減小。

H/D=4工況下土體類型對地表沉降量的影響如圖5所示。

由圖5可知，地表沉降量隨距隧道中心線距離的增大在逐漸減小，地表沉降量大小為：填土＞黏土＞砂土。隧道中心線處地表沉降量最大，分別為：0.48m（填土）、0.18m（黏土）、0.06m（砂土）。沉降量曲線斜率也在逐漸減小。

綜上所述，地表最大沉降量均在隧道中心線處，3種土體類型對應(yīng)的最大沉降量隨不同相對埋深H/D變化如圖6所示。

由圖6可知，地表最大沉降量隨著相對埋深H/D的增大在逐漸減小，且地表最大沉降量曲線斜率在逐漸減小。地表為填土?xí)r，相對埋深H/D=1的最大沉降量為1.07m；相對埋深H/D=2時(shí)，地表最大沉降量減小至0.63m，較相對埋深H/D=1工況減小了0.44m，降低了41.12%；相對埋深H/D=3時(shí)，地表最大沉降量減小至0.55m，較相對埋深H/D=1工況減小了0.52m，降低了48.6%；相對埋深H/D=4時(shí)，地表最大沉降量減小至0.48m，較相對埋深H/D=1工況減小了0.59m，降低了55.14%。

地表為黏土?xí)r，相對埋深H/D=1的最大沉降量為0.28m；相對埋深H/D=2時(shí)，地表最大沉降量減小至0.24m，較相對埋深H/D=1工況減小了0.04m，降低了14.29%；相對埋深H/D=3時(shí)，地表最大沉降量減小至0.23m，較相對埋深H/D=1工況減小了0.05m，降低了17.86%；相對埋深H/D=4時(shí)，地表最大沉降量減小至0.18m，較相對埋深H/D=1工況減小了0.1m，降低了35.71%。

地表為砂土?xí)r，相對埋深H/D=1的最大沉降量為0.2m；相對埋深H/D=2時(shí)，地表最大沉降量減小至0.12m，較相對埋深H/D=1工況減小了0.08m，降低了40%；相對埋深H/D=3時(shí)，地表最大沉降量減小至0.07m，較相對埋深H/D=1工況減小了0.13m，降低了65%；相對埋深H/D=4時(shí)，地表最大沉降量減小至0.06m，較相對埋深H/D=1工況減小了0.14m，降低了70%。

土體類型及相對埋深H/D對沉降范圍產(chǎn)生影響，3種土體類型對應(yīng)的沉降槽寬度隨不同相對埋深H/D變化如圖7所示。

由圖7可知，沉降槽寬度隨相對埋深H/D的增大呈先穩(wěn)定后增大的趨勢，沉降槽寬度大小為：填土＞黏土＞砂土。相對埋深H/D=1時(shí)填土、黏土及砂土的沉降槽寬度分別為108m、72m、60m；黏土、砂土的沉降槽寬度分別為填土的66.67%、55.56%。相對埋深H/D=2時(shí)填土、黏土及砂土的沉降槽寬度分別為109m、72m、60m；黏土、砂土的沉降槽寬度分別為填土的66.06%、55.05%。相對埋深H/D=3時(shí)填土、黏土及砂土的沉降槽寬度分別為120m、96m、84m；黏土、砂土的沉降槽寬度分別為填土的66.06%、55.05%。相對埋深H/D=4時(shí)填土、黏土及砂土的沉降槽寬度分別為108m、96m、84m；黏土、砂土的沉降槽寬度分別為填土的88.89%、77.78%。綜上所述，相對埋深H/D=3時(shí)的沉降槽寬度最大，說明此時(shí)的影響范圍最大，故在隧道開挖時(shí)應(yīng)盡量避免該尺寸。

3.2土體參數(shù)分析

為研究土體壓縮模量對地表沉降量的影響，本文設(shè)置6種壓縮模量梯度：5MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa。不同土體壓縮模量對應(yīng)的最大沉降量隨不同相對埋深H/D變化如圖8所示。

由圖8可知，地表最大沉降量隨土體壓縮模量的增大在逐漸減小，沉降量曲線斜率在逐漸減小。相對埋深H/D=1時(shí)，土體壓縮模量為5MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa的地表最大沉降量分別為1.07m、0.69m、0.26m、0.22m、0.18m、0.11m。以土體壓縮模量5MPa為基準(zhǔn)，土體壓縮模量為10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa的地表最大沉降量分別減小了0.38m、0.81m、0.85m、0.89m、0.96m；增大土體壓縮模量對地表最大沉降量降低效率分別為：35.51%/5MPa、25.23%/5MPa、15.89%/5MPa、11.88%/5MPa、9.97%/5MPa，說明增大土體壓縮模量對沉降量的降低效果在逐漸減弱。

相對埋深H/D=4時(shí)，土體壓縮模量為5MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa的地表最大沉降量分別為0.48m、0.3m、0.17m、0.11m、0.06m、0.05m，較相對埋深H/D=1時(shí)地表最大沉降量分別減小了0.59m、0.39m、0.09m、0.11m、0.13m、0.06m；以土體壓縮模量5MPa為基準(zhǔn)，土體壓縮模量為10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa的地表最大沉降量分別減小了0.18m、0.31m、0.37m、0.42m、0.43m；增大土體壓縮模量對地表最大沉降量降低效率分別為：37.5%/5MPa、21.53%/5MPa、15.42%/5MPa、12.5%/5MPa、9.95%/5MPa，說明增大土體壓縮模量對沉降量的降低效果在逐漸減弱，且土體壓縮模量的降低效果遠(yuǎn)大于相對埋深的增大。

相對埋深H/D為2、3時(shí)的變化趨勢基本一致，本文不再進(jìn)行分析。

為研究土體粘聚力對地表沉降量的影響，本文設(shè)置4種粘聚力梯度：5kPa、10kPa、15kPa、20kPa。不同土體粘聚力對應(yīng)的最大沉降量隨不同相對埋深H/D變化如圖9所示。

由圖9可知，地表最大沉降量隨土體粘聚力的增大在逐漸減小，沉降量曲線斜率在逐漸減小。

粘聚力為5kPa時(shí)，相對埋深H/D為1、2、3、4的最大沉降量分別為0.4m、0.24m、0.23m、0.21m；相對埋深H/D為2、3、4時(shí)，較相對埋深H/D=1工況分別減小了0.16m、0.17m、0.19m，分別降低了40%、42.5%、47.5%。

粘聚力為10kPa時(shí)，相對埋深H/D為1、2、3、4的最大沉降量分別為0.35m、0.24m、0.23m、0.2m；相對埋深H/D為2、3、4時(shí)，較相對埋深H/D=1工況分別減小了0.11m、0.12m、0.15m，分別降低了31.43%、34.29%、42.85%。

粘聚力為15kPa時(shí)，相對埋深H/D為1、2、3、4的最大沉降量分別為0.3m、0.25m、0.23m、0.2m；相對埋深H/D為2、3、4時(shí)，較相對埋深H/D=1工況分別減小了0.05m、0.07m、0.1m，分別降低了16.67%、23.33%、33.33%。

為研究土體泊松比對地表沉降量的影響，本文設(shè)置4種泊松比梯度：0.1、0.2、0.3、0.4。不同土體泊松比對應(yīng)的最大沉降量隨不同相對埋深H/D變化如圖10所示。

由圖10可知，地表最大沉降量隨土體泊松比的增大在逐漸減小，隨相對埋深的增大在逐漸減小。本文以泊松比0.3為例進(jìn)行分析，相對埋深H/D為1、2、3、4的最大沉降量分別為0.31m、0.3m、0.29m、0.25m；相對埋深H/D為2、3、4時(shí)較相對埋深H/D=1工況分別減小了0.01m、0.02m、0.06m，分別降低了3.23%、6.45%、19.35%。

為研究土體內(nèi)摩擦角對地表沉降量的影響，本文設(shè)置4種內(nèi)摩擦角梯度：15°、25°、35°、45°。不同土體內(nèi)摩擦角對應(yīng)的最大沉降量隨不同相對埋深H/D變化如圖11所示。

由圖11可知，地表最大沉降量隨土體內(nèi)摩擦角的增大在逐漸減小，隨相對埋深的增大在逐漸減小。本文以內(nèi)摩擦角25°為例進(jìn)行分析，相對埋深H/D為1、2、3、4的最大沉降量分別為0.4m、0.32m、0.3m、0.26m；相對埋深H/D為2、3、4時(shí)較相對埋深H/D=1工況分別減小了0.08m、0.1m、0.14m，分別降低了20%、25%、35%。

4結(jié)語

（1）不同土體類型工況下，相對埋深H/D=2的地表最大沉降量較小，且沉降槽寬度較小，因此在進(jìn)行隧道開挖及設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先選擇該埋深。

（2）土體類型對地表沉降影響效果顯著，地表土質(zhì)換填法可作為地表沉降控制及建筑物保護(hù)的一種措施。

（3）壓縮模量、粘聚力、泊松比、內(nèi)摩擦角等與地表沉降量均呈負(fù)相關(guān)，對地表沉降量的控制效果大小分別為：內(nèi)摩擦角＞壓縮模量＞泊松比＞粘聚力。

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作者簡介：徐邵鵬（1990—），工程師，主要從事隧道工程技術(shù)管理工作。

收稿日期：2024-05-16