深厚軟土地區(qū)隧道開挖變形特性數(shù)值模擬研究

摘"要：為研究深厚軟土地區(qū)隧道開挖變形特性，文章依托廣西某地鐵盾構(gòu)隧道實(shí)際工程，利用FLAC 3D有限元軟件建立數(shù)值模型，分析了不同開挖階段的隧道地表軸線變化特征，以及不同軟弱下臥層厚度對(duì)隧道變形及地表沉降的影響，研究得出：隧道開挖到監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，地表沉降迅速增大，當(dāng)開挖面超過監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，注漿漿液硬化導(dǎo)致的地層上浮，使地表沉降減小，待地層長(zhǎng)期沉降穩(wěn)定后，地表沉降相較于開挖時(shí)有所增大；隨著隧道開挖，隧道軸線地表沉降最大位置不斷向前推移，開挖面后方由于同步注漿出現(xiàn)一定的隆起變形，待地層長(zhǎng)期沉降穩(wěn)定后，隧道軸線不同位置的地表沉降基本一致；隨著軟弱下臥層厚度的增大，地表沉降減小，隧道上浮位移增大。參考文獻(xiàn)：

關(guān)鍵詞：軟土地層；隧道開挖；地表沉降；FLAC 3D有限元軟件

中圖分類號(hào)：U456.3+1

0 引言

我國(guó)國(guó)土面積廣闊，地形地貌和工程地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)隧道建設(shè)易產(chǎn)生不利影響，如在我國(guó)東部地區(qū)分布有大面積的深厚軟土地層，軟土具有強(qiáng)度低、含水率高、壓縮性高等不良工程特性，大量工程實(shí)踐表明，在此類地層修建隧道常面臨大變形和滲水問題，因此研究軟土地區(qū)隧道的開挖穩(wěn)定性及加固措施對(duì)隧道的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)有著重要參考意義。

目前對(duì)軟土地區(qū)隧道開挖穩(wěn)定性及加固措施的研究已有較多成果。曹洋等［1］利用FLAC 3D軟件建立軟土地層淺埋盾構(gòu)隧道精細(xì)化數(shù)值模型，模擬了開挖過程對(duì)不同施工因素對(duì)地層的擾動(dòng)效果。蘇玥等［2］依托上海市某地鐵隧道工程，采用“上海軟土”本構(gòu)模型，建立有限元精細(xì)化模型，模擬軟土地層暗挖法隧道施工過程中地層的應(yīng)力與變形規(guī)律。楊杰［3］分別依托紹興市和溫州市的地鐵盾構(gòu)隧道工程，利用Midas GTS NX和PLAXIS軟件建立數(shù)值模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了軟土地區(qū)隧道開挖地表沉降變化規(guī)律。李永輝［4］依托西安至安康高速鐵路某隧道段，利用Midas軟件建立三維數(shù)值模型，研究了襯砌混凝土強(qiáng)度和襯砌厚度對(duì)隧道開挖過程中初期支護(hù)的支護(hù)效果。黃昌富等［5］依托珠海橫琴杧洲隧道工程，利用PLAXIS軟件建立三維有限元數(shù)值模型，模擬隧道開挖過程中對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固，研究了加固范圍對(duì)軟土淺埋超大直徑盾構(gòu)隧道施工對(duì)地表沉降的影響。牟公羽等［6］依托上海市某地鐵隧道注漿治理案例，利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型，通過虛擬膨脹應(yīng)力法對(duì)注漿加固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示了注漿過程中超孔隙水壓力消散機(jī)理及隧道變形機(jī)理。宋棋龍等［7］依托珠海橫琴杧洲隧道實(shí)際工程，建立三維有限元數(shù)值模型，研究了注漿加固范圍對(duì)隧道開挖面破壞形式及地表沉降的影響。

本文依托廣西某地鐵盾構(gòu)隧道實(shí)際工程，利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算，分析了不同開挖階段的隧道地表軸線變化特征，并研究了不同軟弱下臥層厚度對(duì)隧道變形及地表沉降的影響，以期為軟土地區(qū)隧道的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程背景與數(shù)值建模

1.1 工程概況

本文依托廣西某地鐵盾構(gòu)隧道實(shí)際工程，隧址區(qū)地勢(shì)較為平坦，地層分布自上而下分別為雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土；地下水發(fā)育，主要類型為第四紀(jì)松散巖類孔隙潛水和孔隙承壓水。研究區(qū)域內(nèi)隧道長(zhǎng)度為1 274 m，隧道埋深在12～16 m，屬淺埋隧道，盾構(gòu)隧道斷面穿越深厚的淤泥質(zhì)黏土地層?？辈旖Y(jié)果表明，淤泥質(zhì)黏土的壓縮模量為3.0 MPa，含水率為43.2%，具有土質(zhì)均勻、高壓縮性、高含水率、低透水率的不良工程特性。

1.2 數(shù)值模型的建立

本文利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算，研究深厚軟土地層隧道變形特性及長(zhǎng)期沉降影響因素。數(shù)值模型依據(jù)隧道實(shí)際斷面建立，地層自上而下為雜填土（厚度為5.0 m）、淤泥質(zhì)黏土（厚度為20.0 m）、粉質(zhì)黏土（厚度為15.0 m）。為減小邊界效應(yīng)導(dǎo)致的計(jì)算誤差，選取數(shù)值模型尺寸為120 m×60 m×40 m（長(zhǎng)×寬×高），隧道埋深為15 m，采用等效梁模型對(duì)隧道進(jìn)行模擬，通過對(duì)混凝土參數(shù)進(jìn)行折減來抵消盾構(gòu)管片的接縫和螺栓對(duì)隧道剛度的劣化作用，隧道外徑為7.0 m，內(nèi)徑為6.3 m，數(shù)值模型如下頁(yè)圖1所示。

模型邊界條件如下：

（1）幾何邊界：模型頂面邊界為自由邊界，底面邊界施加水平和豎直方向的約束，側(cè)面邊界施加垂直側(cè)面的約束。

（2）水力邊界：模型頂面邊界為自由排水邊界，底面邊界和側(cè)面邊界均為定水頭邊界，地表處水壓力為0，距地表深度為h處的水壓力為γwh。巖土體的本構(gòu)模型采用“摩爾-庫(kù)侖”模型，巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。注漿漿液和襯砌的本構(gòu)模型選用線彈性模型，注漿壓力為280 kPa，注漿填充率為200%，襯砌層采用C50混凝土，由于模型未考慮管片的接縫和螺栓，因此在取襯砌力學(xué)參數(shù)時(shí)對(duì)其彈性模型進(jìn)行20%的折減，模擬管片接縫和螺栓對(duì)襯砌的剛度劣化，注漿層和襯砌的參數(shù)取值如表2所示。

隧道施工過程模擬方法為：每個(gè)施工步為1.2 m，共需開挖100步。在預(yù)計(jì)開挖位置前的掌子面處添加掌子面支護(hù)力，掌子面支護(hù)力為對(duì)應(yīng)土層深度的主動(dòng)土壓力，同時(shí)將開挖土體的本構(gòu)模型更改為“1”，模擬土體開挖，并在開挖位置后方激活襯砌和注漿層，模擬開挖后支護(hù)，其中注漿壓力采用均布力進(jìn)行模擬，隧道開挖過程如圖2所示。

列車荷載通過擬靜力法進(jìn)行模擬，采取經(jīng)驗(yàn)公式σdl=0.26p（1+0.004v）進(jìn)行計(jì)算，其中p為車輛靜軸重，取200 kN，列車速度取100 km/h，對(duì)應(yīng)的列車荷載為73 kPa。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2.1 數(shù)值模擬可靠性分析

為驗(yàn)證數(shù)值模型及計(jì)算結(jié)果的可靠性，提取現(xiàn)場(chǎng)隧道開挖面前30 m的隧道斷面對(duì)應(yīng)地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與數(shù)值模擬中的地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。參考文獻(xiàn)：

由圖3可知，數(shù)值模擬得到的隧道開挖過程中斷面的橫向沉降槽為一標(biāo)準(zhǔn)的“倒鐘形”曲線，即隧道兩側(cè)的地表沉降較小，隨著距隧道中軸線距離的減小，地表沉降值逐漸增大，在隧道中軸線位置，即隧道拱頂位置對(duì)應(yīng)的地表沉降值達(dá)到最大，為10.92 mm。而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)雖也大致呈現(xiàn)隧道兩側(cè)的地表沉降小、中部地表沉降大的趨勢(shì)，但地表沉降最大值并未在隧道中軸線位置出現(xiàn)，而是在隧道中軸線右側(cè)3.0 m的位置出現(xiàn)，為10.26 mm?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的地表沉降曲線距離標(biāo)準(zhǔn)的“倒鐘形”曲線仍有較大差距，分析其原因?yàn)椋簲?shù)值模型中假定巖土體是均質(zhì)的，且為便于計(jì)算，對(duì)實(shí)際的工程地質(zhì)條件進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化，工程實(shí)際中的巖土體更為復(fù)雜，導(dǎo)致工程中的數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值有一定偏差。另外，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的最大地表沉降偏離隧道中軸線的最大可能性為隧道開挖過程中盾構(gòu)姿態(tài)控制不良。綜上，雖然數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有一定差距，但整體規(guī)律具有一致性，且數(shù)值計(jì)算得到的地表沉降最大值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)之間的偏差＜10%，說明該數(shù)值模型在分析軟土地層隧道開挖過程中的變形和地表沉降具有一定的參考價(jià)值，數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有可靠性。

2.2 地表沉降計(jì)算結(jié)果分析

選取隧道縱向的中間斷面，即Y=60 m的斷面為監(jiān)測(cè)斷面，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到不同開挖階段地表沉降曲線如圖4所示，其中圖4（a）是監(jiān)測(cè)斷面位置對(duì)應(yīng)的地表沉降曲線，圖4（b）是隧道軸線位置對(duì)應(yīng)的地表沉降曲線。

由圖4（a）可知，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)未開挖到監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面處的地表沉降較小。當(dāng)開挖至Y=30 m時(shí)，開挖面距監(jiān)測(cè)斷面的距離為30 m，此時(shí)監(jiān)測(cè)斷面地表沉降曲線近似為一條直線，說明此時(shí)開挖引起的隧道變形對(duì)監(jiān)測(cè)斷面幾乎無影響。當(dāng)開挖至Y=45 m時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面地表沉降曲線已經(jīng)呈現(xiàn)兩側(cè)小、中部大的特征，沉降槽開始形成，最大地表沉降出現(xiàn)在隧道中軸線位置，為-2.72 mm。當(dāng)開挖至Y=60 m時(shí)，地表沉降迅速增大，沉降槽形成，最大地表沉降達(dá)到-14.2 mm。當(dāng)開挖至Y=90 m時(shí)，盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)過監(jiān)測(cè)斷面，此時(shí)沉降槽形態(tài)未發(fā)生變化，但地表沉降出現(xiàn)一定幅度的減小，最大地表沉降達(dá)到-10.92 mm，這是因?yàn)樽{后漿液硬化導(dǎo)致的地層上浮。待開挖后地層長(zhǎng)期沉降穩(wěn)定后，沉降槽形態(tài)仍保持不變，但地表沉降相較于開挖時(shí)有所增大，最大地表沉降達(dá)到-13.59 mm，這是由于軟土的固結(jié)沉降導(dǎo)致的。由圖4（b）可知，盾構(gòu)機(jī)開挖斷面前方位置為此時(shí)隧道軸線地表沉降最大的位置，隨著盾構(gòu)機(jī)向前開挖，隧道軸線上地表的最大沉降位置向前不斷推移，且隧道開挖至不同位置，隧道軸線地表沉降最大值均在14～16 mm小幅變化，而盾構(gòu)機(jī)開挖斷面后方一定范圍的位置會(huì)出現(xiàn)地層隆起變形，這是因?yàn)樗淼篱_挖后同步進(jìn)行注漿導(dǎo)致的，待隧道開挖完成地層長(zhǎng)期沉降穩(wěn)定后，隧道軸線不同位置的地表沉降基本一致。

2.3 軟弱下臥層厚度對(duì)隧道變形的影響

該地鐵隧道全斷面均穿越深厚的淤泥質(zhì)黏土層，淤泥質(zhì)黏土與下伏粉質(zhì)黏土相比，具有更高的壓縮性和含水率、更長(zhǎng)的固結(jié)時(shí)間，淤泥質(zhì)黏土地層作為支撐該地鐵隧道的直接載體，地層厚度對(duì)隧道和地表的沉降具有較大影響。軟弱下臥層厚度是指隧道拱底下方淤泥質(zhì)黏土的厚度，設(shè)置軟弱下臥層厚度為6.0 m、8.0 m、10.0 m和12.0 m 四種工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究軟弱下臥層厚度對(duì)隧道沉降的影響，得到不同軟弱下臥層厚度下隧道開挖完成后監(jiān)測(cè)斷面處隧道軸線位置地表和隧道拱頂?shù)某两登€，如圖5和圖6所示。

由圖5可知，開挖完成后的地表沉降和固結(jié)穩(wěn)定后的最終地表沉降均隨著軟弱下臥層厚度的增大而不斷減小，固結(jié)沉降隨軟弱下臥層厚度變化較小。當(dāng)軟弱下臥層厚度分別為6.0 m、8.0 m、10.0 m和12.0 m時(shí)，開挖完成后的地表沉降值分別為18.08 mm、17.23 mm、16.10 mm和14.99 mm，固結(jié)穩(wěn)定后的最終地表沉降分別為24.00 mm、23.10 mm、21.92 mm和20.73 mm，固結(jié)沉降分別為5.92 mm、5.87 mm、5.82 mm和5.74 mm。

由圖6可知，隧道拱頂位移方向向上，說明隧道出現(xiàn)“上浮”現(xiàn)象，隨著軟弱下臥層厚度的增大，隧道拱頂位移不斷增大，當(dāng)軟弱下臥層厚度分別為6.0 m、8.0 m、10.0 m和12.0 m時(shí)，開挖完成后的拱頂位移值分別為6.65 "mm、9.64 mm、11.87 mm和14.53 mm，固結(jié)穩(wěn)定后的最終拱頂位移值分別為4.05 mm、7.02 mm、9.24 mm和11.88 mm，拱頂固結(jié)期位移分別為-2.6 mm、-2.62 mm、-2.63 mm和-2.65 mm。

綜上，軟弱下臥層厚度對(duì)開挖完成后的隧道變形及地表沉降和固結(jié)穩(wěn)定后的最終隧道變形及地表沉降影響較大，對(duì)固結(jié)期土體固結(jié)變形的影響較小。隨著軟弱下臥層厚度的增大，地表沉降減小，隧道上浮位移增大。

3 軟土地層隧道變形控制措施

（1）地層巖土體特性和地下水對(duì)土體的長(zhǎng)期沉降有較大影響，在隧道勘察設(shè)計(jì)階段，應(yīng)該查清隧道研究區(qū)域的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，建立完善的監(jiān)測(cè)體系，監(jiān)測(cè)隧道施工及運(yùn)營(yíng)期間的土體位移及滲流場(chǎng)特性。

（2）隧道的施工質(zhì)量對(duì)隧道開挖過程中的隧道變形和地表沉降具有較大影響，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，土體固結(jié)變形相較于隧道初始變形和地表初始沉降，其數(shù)值很小，因此控制施工質(zhì)量、減小隧道開挖對(duì)周圍土體的擾動(dòng)，以及減小隧道初始變形和地表初始沉降，是控制隧道長(zhǎng)期變形的關(guān)鍵。

（3）隧道軟弱下臥層對(duì)隧道變形有較大影響，工程實(shí)際的地層分布并非如數(shù)值計(jì)算中假定的地層厚度不變且土體均勻一致，穿越不同軟弱下臥層厚度區(qū)域時(shí)，其過渡段會(huì)產(chǎn)生差異沉降，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)安全性下降，應(yīng)對(duì)此類區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)加固。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)未開挖到監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面處的地表沉降較小，當(dāng)開挖到監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，地表沉降迅速增大，當(dāng)開挖面超過監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，由于注漿后漿液硬化導(dǎo)致的地層上浮，地表沉降出現(xiàn)一定程度減小，待開挖后地層長(zhǎng)期沉降穩(wěn)定后，沉降槽形態(tài)保持不變，由于軟土的固結(jié)沉降導(dǎo)致地表沉降相較于開挖時(shí)有所增大。

（2）隨著盾構(gòu)機(jī)向前開挖，隧道軸線地表沉降最大的位置也在不斷向前推移，開挖斷面后方一定范圍的位置由于隧道開挖后同步注漿出現(xiàn)一定的地層隆起變形，待隧道開挖完成，地層長(zhǎng)期沉降穩(wěn)定后，隧道軸線不同位置的地表沉降基本一致。

（3）軟弱下臥層厚度對(duì)開挖完成后的隧道變形及地表沉降和固結(jié)穩(wěn)定后的最終隧道變形及地表沉降影響較大，對(duì)固結(jié)期土體固結(jié)變形的影響較小。隨著軟弱下臥層厚度的增大，地表沉降減小，隧道上浮位移增大。

參考文獻(xiàn)：

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