黃土地區隧道施工對地層擾動的影響研究

白陽陽　張文超

摘要：以西安五號線地鐵某區間工程為依托，利用FLAC3D[1]差分軟件模擬盾構過程，研究隧道開挖后地表變形及地層變形的擾動規律，以及隧道自身變形情況。通過三維數值模擬，研究隧道開挖對不同深度地層的影響。并得出了有關結論。

Abstract： Based on a section of Xi'an No. five subway， the FLAC3D differential software is used to simulate the process of shield tunnel. The surface deformation after tunnel excavation， the disturbance law of ground deformation， and the deformation of the tunnel are studied. The influence of tunnel excavation on different depth strata is studied by 3D numerical simulation. And some conclusions are drawn.

關鍵詞：盾構施工；FLAC3D；地層變形

Key words： shield construction；FLAC3D；stratum deformation

中圖分類號：U455.43 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）06-0136-02

0 引言

隨著時代的發展城市地下空間利用可以有效緩解城市交通壓力。盾構法施工由于其施工工期短、自動化程度高、噪音影響施工影響小等特點，在隧道建設中得到了廣泛的應用。但是，由于盾構機的刀盤直徑大于隧道拼裝管片的外徑，掘進開挖過程中，當盾構機尾部完全脫出，管片裝配完成后，管片和土層之間會形成一個環形間隙，稱為盾尾空隙。必然會造成地層變形，使相鄰地表及建（構）筑物沉降或地下建筑物及基礎發生沉降或偏移。徐前衛、尤春安、李大勇[2]通過對黃浦江行人觀光隧道上部穿越建成的上海地鐵2號線區間隧道建立了三維有限元計算模型，研究盾構推進而引起的地層變形的規律性并對已建隧道產生的施工影響進行了全面分析并給出了相關的結論。饒宇、夏元友、趙根等[3]以武漢地鐵四號線某一區間隧道為研究對象，對該盾構區間隧道所獲得的地表沉降的監測數據進行了分析和處理。對地鐵隧道引起的地表沉降規律進行分析，探討了建筑物與隧道軸線的距離、隧道埋深等因素對地表沉降的影響。呂政、江阿蘭[4]通過對盾構隧道開挖對地表的影響，借助abaqus大型有限元分析軟件、實際測量數據、Peck經驗公式相對比的方法，綜合分析了隧道開挖后地表的沉降變形規律。通過隧道盾構施工的數值模擬分析研究，為優化設計和施工提供具有指導意義的研究成果和工程實踐經驗。

1 工程實例模擬分析

1.1 工程概況 西安五號線一期工程西起和平村站，終點紡織城火車站。一期工程線路全長約26.01km，其中地下線長約24.88km。占全線長度的95%。由于隧道位于市內城區地下管線復雜地表建（構）筑物繁多對變形要求非常高。西安黃土地區地層條件復雜、地下水位較高，隧道從老舊的建筑物下方通過，為保證工程安全，設計選用能較好控制沉降，減少對周圍環境影響的盾構法施工。為確保工程的全面順利實施選取近南稍門段進行研究，區間隧道埋深約10.16～18.19m，線路最大縱坡24.22‰，最小縱坡2‰。區間隧道主要穿越的地層為：古土壤、老黃土層、粉質黏土。其中：老黃土自穩性較差；古土壤土質不均勻，團粒結構，含鈣質條紋及鈣質結核。區間上方存在新黃土，為濕陷性土層。區間水位埋深約9.5m～12.1m。

1.2 模型建立

1.2.1 模型范圍的確定及邊界條件的選取 模型范圍的確定及邊界條件的選取根據地質資料顯示，五號線的地質情況比較復雜，為此選地層共分5層，從上到下依次為：素填土、新黃土1、新黃土2、古土壤、粉質黏土。上層邊界取至地表，下邊界和左右右邊界都取大于隧道洞徑（6m）的3倍進行計算，長度取36m。此次模擬隧道埋深為18m。管片厚度取35cm。全部計算區域共劃分為83324節點，78228單元。計算時應用位移約束固定左右邊界，前后邊界及下邊界，上邊界取為自由邊界。其計算地質模型及單元網格劃分如圖1所示。

1.2.2 計算參數的選取 本構選取本次模擬土體采用用摩爾庫倫，對隧道管片材料為彈性模型，本模型使用了FLAC中的“空模型”（Model Null）能來模擬土體開挖和支護施工。所謂“空模型”（Model Null），即是將開挖單元從巖或土體模型中移去，但是與之相關聯的單元部分仍保留在原空間位置；將隧道的開挖過程用FLAC中的“空模型”（Model Null）功能來模擬即為：開挖（將開挖部分設置為“空單元”）進行支護，計算，使之達到平衡。具體參數如表1、表2。

1.2.3 此次模擬對隧道上方6m、12m、18m（地表）處進行豎向及水平位移監測分別為A、B、C測線。具體如圖2。1.3 計算與結果分析 通過分析發現隧道施工不僅影響地表及地表結構物，對下部地層及其結構物也有很大的影響。

由圖3-圖6可以看出地層沉降規律與地表規律“相似”，隧道施工后地層及地表沉降與Peck提出的盾構施工引起地面橫向沉降槽公式所計算出的結果相同，但其對不同深度的沉降量不同。

①沉降最大處位于盾構中心。在地表處即A測線最大沉降量為22.6mm，B測線最大沉降量為26.0mm，C測線最大沉降量為35.1mm，此外盾構中心及其周圍（此次模擬約在小于8m處），隨著距地表距離越小豎向沉降量逐漸減小。②距離盾構中心盾構中心越遠（此次模擬約在大于8m處），隨著距地表距離越小豎向沉降量逐漸增大。③距離盾構中心盾構中心越遠（此次模擬約在大于12m處），隨著距地表距離越小水平側移量逐漸增大。④盾構中心及其周圍（此次模擬約在小于12m處），地層側移量均變大，故在設計過程中注意加固及繞開近距離地下建筑物。

2 結論

通過對西安五號線某區間工況進行分析，建立了三維有限元計算模型研究了由于盾構施工對不同深度土層及地表形進行分析，得出以下結論。

①隧道施工后地層及地表沉降與Peck[5]提出的盾構施工引起地面橫向沉降槽公式所計算出的結果相同，但其對不同深度的沉降量不同。②隧道施工后距離盾構中心遠距離區地表沉降量、水平側移量均大于下部地層，但其沉降及側移量均較小。③隧道施工后距離盾構中心近距離地表沉降量、水平側移量均較大，在地表及深部地層側移量大于中部土層的側移量。故應注意對地表及深部地下建筑的側向變形實施監控，設計工作應充分考慮路線的的選取避免近距離盾構施工，在施工過程中對隧道及周圍建筑物的影響實施監測，或采取加固措施，防止安全事故的發生。

參考文獻：

[1]孫書偉，林杭，任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[2]徐前衛，尤春安，李大勇.盾構近距離穿越已建隧道的施工影響分析[J].巖土力學，2004，25（增刊）：95-100.

[3]呂政，江阿蘭.隧道盾構法開挖對地表沉降變形的影響[J].低溫建筑技術，2013，176（2）：106-108.

[4]饒宇，夏元友，趙根，等.影響盾構隧道地表沉降的多因素分析[J].四川大學學報（工程科學版），2012，44（4）：6-11.

[5]韓煊，李寧.Peck公式在我國隧道施工地面變形預測中的適用性分析[J].巖土力學，2007，28（1）：23-29.