地鐵洞樁法隧道施工過程中地表及地下管線沉降數(shù)值模擬分析

摘要：以沈陽某地鐵區(qū)間洞樁法隧道工程為背景，采用MIDAS GTS NX對隧道施工過程進(jìn)行模擬，并對地表沉降、管線沉降進(jìn)行數(shù)值分析。研究結(jié)果表明：地表及管線沉降在隧道各施工階段逐步累積，尤其在導(dǎo)洞和正線拱部開挖時，沉降增長較大。邊樁、中隔墻及拱部二襯組成的支撐體系，對隧道下部土體開挖起到保護(hù)作用，地表沉降總體可控。在實際施工時，應(yīng)做好各部分開挖前的超前支護(hù)，注意開挖后及時施作鋼拱架、噴射混凝土以及二襯結(jié)構(gòu)，同時也要銜接好各施工步序，以便控制地表和管線沉降。

關(guān)鍵詞：雙連拱隧道；洞樁法；管線沉降；數(shù)值模擬

0" "引言

隨著城市地鐵建設(shè)的迅速推進(jìn)，淺埋、大跨度的地下工程日益增多。這些工程通常位于交通繁忙的區(qū)域，管線遷改復(fù)雜，對地表沉降有較高要求[1]。洞樁法作為一種有效的施工方法，通過導(dǎo)洞、邊樁和扣拱的結(jié)合，形成一個整體的支護(hù)體系，以確保在土方開挖期間的安全性，能有效控制地層沉降[2]。

有關(guān)專家學(xué)者對洞樁法的設(shè)計與施工進(jìn)行了深入研究。楚劉輝[3]基于北京地鐵牛街站洞樁法導(dǎo)洞開挖，對地表沉降影響進(jìn)行研究，研究表明導(dǎo)洞的施工工藝對地表沉降的影響較為顯著。通過優(yōu)化導(dǎo)洞的施工工藝和掌子面間距，可以有效控制地表沉降。楊峰[4]依據(jù)西安某地鐵車站洞樁法施工的地表變形數(shù)值模擬分析，研究結(jié)果表明，地表沉降曲線沿車站中線對稱分布，在車站整體施工過程中，地表沉降量不斷增加，增加速率呈現(xiàn)先增加后平緩、再增加最后平緩的現(xiàn)象。

洞樁法在地鐵車站的建設(shè)中有廣泛的應(yīng)用，然而對于區(qū)間隧道單層結(jié)構(gòu)的研究相對較少?；诖?，本文以沈陽某地鐵區(qū)間暗挖段工程為研究對象，采用數(shù)值模擬技術(shù)對淺埋大跨度洞樁法隧道施工過程進(jìn)行了動態(tài)仿真分析。研究重點集中在地表沉降和管線沉降的變化規(guī)律上，旨在為未來類似工程的設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)和參考。

在研究中，首先建立精確的數(shù)值模型，模擬了隧道開挖過程。通過動態(tài)仿真，詳細(xì)分析了不同施工階段地表和管線的沉降情況，揭示了其變化趨勢，并研究加強超前支護(hù)措施對沉降的影響。此外，本文提出了如優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、選擇合適的施工方法和加強施工監(jiān)測等措施，旨在有效控制地表和管線的沉降，確保工程的順利進(jìn)行和長期穩(wěn)定運行。

1" "工程概況

沈陽某地鐵區(qū)間位于鴨綠江北街下方，正線線間距為15m，并設(shè)有兩條停車線。該區(qū)域地面交通繁忙，地下管線眾多，周邊建筑物對地表沉降要求較高。隧道全長197.7m，采用洞樁法施工，為四線雙連拱單層結(jié)構(gòu)，覆土厚度約9m。場地屬于坡洪積、冰漬波狀臺地地貌單元，隧道穿越粉質(zhì)黏土和中粗砂層，底板位于礫砂層，圍巖等級為Ⅵ級。勘察期間未發(fā)現(xiàn)地表水，但存在一層微承壓地下水，主要賦存于中粗砂、礫砂及圓礫層中，穩(wěn)定水位埋深約18m。地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

2" "結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1" "導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

在導(dǎo)洞開挖之前，為了確保安全和穩(wěn)定性，拱部區(qū)域采用DN32單排小導(dǎo)管預(yù)注漿加固地層，進(jìn)行超前支護(hù)。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)由300mm厚C25網(wǎng)噴早強混凝土與鋼筋格柵組成，其中格柵間距為0.5m。

1#導(dǎo)洞分為上下兩層，寬度為4.1m，總高度為9m；2#和3#導(dǎo)洞的寬度均為4.1m，高度均為4.85m。在2#和3#導(dǎo)洞內(nèi)，邊樁為直徑1000mm、間距1.5m的鉆孔灌注樁，樁長10m。樁頂冠梁的尺寸為1700mm×1000mm（寬×高）。導(dǎo)洞橫剖面見圖2。

2.2" "主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

主體結(jié)構(gòu)的拱部采用DN32雙層小導(dǎo)管預(yù)注漿加固地層進(jìn)行超前支護(hù)。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)由350mm厚C25網(wǎng)噴早強混凝土與鋼筋格柵組成，其中格柵間距為0.5m。頂板的二襯厚度為0.8m（最薄處），側(cè)墻的二襯厚度為0.8m，底板的二襯厚度為1.2m。隧道的剖面圖見圖3。

3" "數(shù)值模擬分析

3.1" "計算模型

在綜合分析現(xiàn)場管線狀況及地質(zhì)環(huán)境后，本研究運用Midas GTS/NX有限元軟件構(gòu)建了三維隧道模型。該模型尺寸沿隧道長20m、寬100m、高40m，其地表設(shè)置為自由邊界條件，底部施加固定約束，其余各面采用滾軸平動約束以模擬實際工況。

在計算過程中，土體材料選用修正摩爾庫倫本構(gòu)模型，以期準(zhǔn)確描述其力學(xué)行為；襯砌和邊樁采用彈性本構(gòu)模型，分別以板單元和梁單元進(jìn)行建模；冠梁與二次襯砌則以實體單元形式呈現(xiàn)，確保模型的整體性和準(zhǔn)確性。經(jīng)劃分，模型共包含163554個節(jié)點和87597個單元。

關(guān)于模型的材料屬性參數(shù)如表1所示。有限元計算模型的直觀視圖如圖4所示，通過圖4可直觀地理解模型的構(gòu)造和特點。

3.2" "施工步驟模擬

針對本工程的具體條件，施工過程的模擬步驟如下： ①初始地應(yīng)力分析，并確保初始狀態(tài)位移為零；②導(dǎo)洞進(jìn)行超前注漿加固、開挖及支護(hù)；③邊導(dǎo)洞與邊樁、冠梁施工；④中導(dǎo)洞中隔墻施工；⑤邊導(dǎo)洞扣拱回填；⑥正線拱部進(jìn)行注漿、開挖及扣拱，并實施二次襯砌；⑦正線底部進(jìn)行開挖、施作二襯。

3.3" "計算結(jié)果與分析

依據(jù)上述步驟對隧道進(jìn)行開挖模擬，分別提取導(dǎo)洞開挖及支護(hù)完成，邊樁、冠梁及中隔墻澆筑完成，正線初支扣拱完成，正線二襯完成四個關(guān)鍵施工步驟計算結(jié)果，對地表沉降、管線沉降進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.3.1" "地表沉降分析

各關(guān)鍵施工步驟完成后的地層豎向位移如圖5所示。關(guān)鍵施工步驟地表最大沉降值如表2所示。通過對地表沉降值的計算分析，可以明顯觀察到隨著工程的推進(jìn)，地表沉降逐漸增加。特別是在導(dǎo)洞開挖及支護(hù)、正線初支扣拱階段，這兩個階段引起的地表沉降分別達(dá)到了9.6mm和11.9mm，分別占最終地表總沉降量的32.2%和39.9%。相比之下，邊樁冠梁及中隔墻澆筑、正線二襯澆筑階段所引起的地面沉降則相對較小。

為了有效控制地表沉降，在施工過程中必須采取一系列超前措施。首先，應(yīng)加強超前支護(hù)，確保土體的穩(wěn)定性；其次，縮短開挖進(jìn)尺并及時施做初支結(jié)構(gòu)，以減少對土體的擾動。

在本工程中，正線二襯采用逆作法，即在施作拱部二襯時，盡量減少中隔壁拆除的分段長度，并盡快搭設(shè)滿堂腳手架進(jìn)行二襯澆筑，從而縮短中隔壁拆除后的暴露時間。這一做法有助于快速形成邊樁-拱部二襯-中隔墻整體的支撐體系，共同承受上部地層的壓力，為隧道下部土體的開挖和二襯澆筑提供了有效的保護(hù)。

3.3.2" "管線沉降分析

各關(guān)鍵施工步驟完成后的管線沉降見圖6。關(guān)鍵施工步驟管線最大沉降值表3所示。分析認(rèn)為，本工程地下管線的埋深較淺，隨著隧道施工的逐步進(jìn)行，這些管線的沉降發(fā)展情況與地表沉降的趨勢保持一致。然而由于各管線與隧道的相對位置不同，它們的沉降程度也呈現(xiàn)出一定的差異性。

具體而言，位于隧道中心線位置的DN800熱力管沉降最為明顯，而處于隧道邊緣的管線則相對較小。這一現(xiàn)象表明，管線的沉降變化與其距離主要影響區(qū)的遠(yuǎn)近密切相關(guān)：越靠近主要影響區(qū)，沉降越大；反之，則越小。這種規(guī)律性的變化不僅揭示了管線沉降的內(nèi)在機(jī)制，也為工程設(shè)計和施工提供了重要的參考依據(jù)。

3.3.3" "土層加固后沉降分析

經(jīng)過上述計算和結(jié)果分析可知，沉降值總體上仍然較大。為了降低地表沉降對周邊建筑物的影響以及減小管線的沉降，在開挖前，對正線拱部上方土體采取深孔注漿的方式進(jìn)行加固處理。隨后，進(jìn)行模擬計算，以評估加固后的地面沉降和管線沉降情況，并對這些計算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的對比分析。通過這種方式，能夠更全面地了解加固措施的效果，并為后續(xù)的工程決策提供依據(jù)。

加固后各關(guān)鍵施工步驟完成后的地層豎向位移如表4所示。加固后各關(guān)鍵施工步驟完成后的管線沉降見表5所示。分析可知，在保持所有其他條件不變的情況下，開挖采用深孔注漿加固的拱部上方土體，與開挖未經(jīng)過加固處理的土體相比，當(dāng)正線二襯完成時，地面沉降顯著減少了32.2%，管線沉降也相應(yīng)減少了34.4%。這一數(shù)據(jù)表明，通過加強正線大斷面開挖前的超前措施，可以有效地控制地面沉降及管線沉降。

分析認(rèn)為，深孔注漿技術(shù)通過向土體中注入漿液，增強了土體的強度和穩(wěn)定性。這種方法不僅能夠提高土體的承載能力，還能有效防止土體在施工過程中發(fā)生過度變形和沉降。因此，在正線開挖前采用這種加固措施，可以顯著減少地面和管線的沉降，從而保證工程的安全性和可靠性。

4" "相關(guān)建議

根據(jù)對沈陽地鐵淺埋暗挖洞樁法隧道施工過程進(jìn)行的數(shù)值模擬分析，可以得出以下結(jié)論及建議：

隧道開挖過程中，在導(dǎo)洞開挖及支護(hù)階段和正線初支扣拱階段，地表沉降顯著增加。非開挖施工階段引起的地面沉降相對較小。因此，建議土體開挖階段應(yīng)做好超前支護(hù)，或采用深孔注漿等超前加固措施，縮短開挖進(jìn)尺并及時施作初支結(jié)構(gòu)，以有效控制地表沉降。

本工程的正線二襯采用了逆作法施工技術(shù)。在初支扣拱成型后，拆除中隔壁進(jìn)行拱部二襯施工時，地表仍會發(fā)生一定沉降。為了減少這種沉降，建議盡量減少中隔壁拆除的分段長度，并盡快進(jìn)行二襯澆筑，縮短中隔壁拆除后的暴露時間。

考慮到本工程地下管線埋深較淺，隨著隧道施工的進(jìn)行，管線沉降情況與地表沉降的發(fā)展趨勢基本一致。越靠近主要影響區(qū)，管線沉降越大；反之則越小。因此建議在施工過程中合理銜接各施工步序，避免管線發(fā)生較大不均勻沉降而產(chǎn)生破損。

5" "結(jié)束語

本文通過對沈陽地鐵淺埋暗挖洞樁法隧道施工過程的數(shù)值模擬分析，得出了關(guān)于地表沉降、管線沉降以及施工策略的關(guān)鍵結(jié)論，并提出了針對性處置措施建議。通過這些綜合措施的實施，不僅可以有效地控制地面和管線的沉降，還能夠提高整個工程項目的安全性和可靠性，對于指導(dǎo)實際施工具有參考價值，有助于確保工程質(zhì)量和安全。

參考文獻(xiàn)

[1]" 王明勝.復(fù)雜環(huán)境下洞樁法地鐵車站設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報，2017，34（3）：87-89.

[2]" 高成雷.淺埋暗挖洞樁法車站應(yīng)用理論研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2002：1-5.

[3]" 楚劉輝.洞樁法地鐵車站導(dǎo)洞開挖對地表沉降的影響[J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2023，22（1）：15-19+38.

[4]" 楊鋒.西安某地鐵車站洞樁法施工的地表變形規(guī)律數(shù)值模擬分析[J].城市軌道交通研究，2021，24（12）：43-48.

[5]" 張海明，姚愛軍，王兆輝，等.地鐵車站PBA法導(dǎo)洞施工誘發(fā)地表沉降規(guī)律研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2017，13（2）：469-477.

[6]""""" 張國亮，韓雪峰，陳登偉，等.暗挖地鐵車站大斷面隧道施工過程的數(shù)值模擬研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2015，41（3）：54-57.