淺埋黃土隧道開挖變形分析及預測

楊衛 蔣開玥

前言：由于中國地鐵的高速發展，很多城市開始修建地鐵，地鐵的修建為人類拓展了地下空間，帶來了交通的便利。黃土隧道暗挖需要考慮的是地層產生的沉降，如何在開挖過程中控制好沉降是需要我們解決的主要問題。以蘭州軌道交通為工程背景，借助Midas-GTS-NX有限元軟件進行建模計算，分析在黃土中使用暗挖法進行開挖，模擬計算開挖過程最大沉降區域以及最大沉降量;運用PECK公式，利用工程實測數據繪制地表沉降槽橫向沉降過程圖，掌握對隧道開挖產生的沉降量的預測，通過PECK公式算出了蘭州黃土地層淺埋暗挖法施工時，地層損失率數值約為2.55%。

關鍵詞：黃土隧道;有限元;暗挖法;沉降預測

中圖分類號：U459.1

0? 引? 言

根據以前的施工來看，目前黃土隧道暗挖需要考慮的就是地層產生的沉降，沉降是不可避免的，在城市中這種現象特別嚴重，如何在開挖過程中控制好沉降是需要我們解決的。馬禧祥等人[1]為了提高在黃土土質條件下隧道施工的穩定性，進一步改良施工措施，對黃土地鐵隧道施工的變形規律進行分析，并根據分析結果對隧道施工過程中如何控制地表沉降進行了探討。陳朝陽等人[2]運用FLAC3D的interface單元，通過數值模擬和現場試驗研究隧道洞身穿越巖土分界的變形和受力規律，確定施工變形控制措施。劉旭全[3]等人以西安地鐵5號線為依托通過現場施工試驗及現場監測，研究分析既有隧道變形規律，得出地鐵盾構掘進施工參數動態取值范圍并提出隧道變形控制措施。霍潤科[4]等人對富水黃土隧道地表沉降、洞周土體變形及力學效應進行了研究，得出地表沉降以及洞周土體變形的變化規律。李龍福[5]等人通過Madis GTS/NX軟件探討了淺埋沖溝段黃土暗挖隧道地層變形破壞模式。于介[6]以黃土塬區淺埋大斷面隧道工程為實例，基于三維地質仿真模型方法通過分析支護受力和變形，來改良黃土的結構性能，降低隧道掘進過程中的地表沉降量。楊波[7]等人以敖包溝隧道工程為例，采用數值模擬和現場實測的方法對黃土隧道的變形規律及隧道出口段預留變形量合理取值范圍進行了分析研究，從而指導隧道施工降低地表沉降。

由于黃土的性質，給在黃土區修建鐵路帶來了很多麻煩，施工中需要解決很多由黃土產生的問題。因此，針對淺埋黃土隧道開挖變形數值模擬及預測技術展開研究，掌握黃土沉降變化規律，為淺埋黃土隧道的施工提供指導。

1? 三維數值計算參數及模型建立

1.1 計算參數

通過室內試驗，隧道圍巖參數如表1所示。

隧道支護結構參數如表2所示。

1.2 模型建立

隧道開挖以二臺階法為例。將10米長的隧道平均分成了5份，設定先開挖上臺階然后及時支護，接著開挖下臺階并及時支護，以此往后。詳細步驟是：

第一步為開挖上臺階至2米處，接著噴射混凝土進行支護。

第二步為開挖下臺階至2米處，接著噴射混凝土進行支護。

第三步為開挖上臺階至4米處，接著噴射混凝土進行支護。

第四步為開挖上臺階至6米處，接著噴射混凝土進行支護。

第五步為開挖下臺階至6米處，接著噴射混凝土進行支護。

第六步為開挖上臺階至8米處，接著噴射混凝土進行支護。

第七步為開挖下臺階至8米處，接著噴射混凝土進行支護。

第九步為開挖下臺階至10米處，接著噴射混凝土進行支護。

第十步為開挖下臺階至10米處，接著噴射混凝土進行支護。施工模擬圖見圖1所示。

2? 結算結果與分析

2.1 二臺階1米開挖

在1米開挖的情況下，分析其沉降量隨著施工步驟的變化。通過表3和圖7可以看出，沉降量較大的是拱頂節點和上土層節點，拱頂節點，上土層節點和拱身位置的節點都隨著施工的過程，沉降量在不斷的增加，但是增加量在減小。其中，拱頂的沉降量最終達到了27毫米，上土層節點沉降量最終達到了18毫米，隧道底部的節點沉降量無明顯的變化。

2.2 二臺階2米開挖

在2米開挖的情況下，現在單獨取出與1米開挖時相同的節點，分析其沉降量隨著施工步驟的變化。通過表4圖12可以看出，沉降量較大的是拱頂節點和上土層節點，拱頂節點，上土層節點和拱身位置的節點都隨著施工的過程，沉降量在不斷的增加，但是增加量在減小。其中，拱頂處的沉降量最終達到了26毫米，上土層節點的沉降量最終達到了17毫米，隧道底部的節點沉降量無明顯的變化。

2.3 二臺階5米開挖

在5米開挖的情況下，現在單獨取出與之前相同節點，分析其沉降量隨著施工步驟的變化。通過表5圖16可以看出，沉降量較大的是拱頂節點和上土層節點，拱頂節點，上土層節點和拱身位置的節點都隨著施工的過程，沉降量在不斷的增加，但是增加量在減小。其中，拱頂處的沉降量最終達到了26毫米，上土層節點沉降量最終達到了17毫米，隧道底部的節點沉降量無明顯的變化。

3? 地表沉降預測

3.1 地表沉降槽分析

地鐵區間隧道一般為并行雙線隧道，而在實際施工過程中為了消除左右隧道的相互影響，通常采用分段施工，即左線超前于右線一段距離進行施工，或是右線超前于左線一段距離。由于隧道的開挖而引起的地表沉降，無論是沉降的深度、寬度又或是地表沉降相對于隧道軸線的位置，其地表沉降都是一個緩慢發展的過程。

第一階段，假設左線超前于右線一段距離進行施工，剛開始右線隧道離觀測斷面道距離較遠，左線隧道的開挖對觀測斷面逐漸產生影響。如圖17（a）圖所示。

第二階段，隧道左線開挖至觀測斷面，隧道右線開挖也逐漸對沉降觀測斷面產生影響。這個階段，地表沉降作用進一步加劇，沉降觀測點在左、右隧道開挖作用的共同影響下，沉降槽逐漸變寬、變深。如圖17（b）圖所示。

第三階段，經過一段時間的施工，左線隧道開挖已經過觀測斷面-D，右線隧道則開挖至距離觀測斷面3.5D處。這個階段，右線隧道的開挖是對觀測斷面產生影響的主要因素，從而導致在這一過程中沉降槽中心開始出現了明顯的橫向變形，如圖18（a）圖所示。

第四階段，隨著施工的進行，左線隧道掌子面距離觀測斷面較遠，右線隧道正好開挖至觀測斷面。這個階段，右線隧道的開挖仍是對觀測斷面產生影響的主要因素而左線隧道的開挖影響基本可以忽略。整個過程中，沉降槽中心的橫線位移更為劇烈，位置由左側距離兩條隧道中線4m左右位置逐漸靠近雙線的中心線，其后，從兩條隧道中線位置橫線移動至右側距離兩條隧道中線4m左右位置。并且地表沉降的寬度、深度也進一步加大。如圖18（b）圖所示。

第五階段，當右線隧道開挖經過觀測斷面-D，此時左線隧道的掌子面距離觀測斷面較遠。這個階段，右線隧道開挖對觀測斷面影響逐漸減小。觀測斷面逐漸趨于穩定狀態。最終，地表沉降槽穩定在了右側距離兩條隧道中線4m位置。如圖19所示。

通過以上分析，將具體監測斷面各點的最終沉降量進行分析，得到基于PECK公式的方程為：

S=-24.017-36.219e^（-0.5×（（X-4.8952）/9.8204）^2 ）? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

上面式子中：S為位移變形值（mm）;X為距離雙隧道中心線的間距。根據以上公式，當間距X取4.8952時，此時位移變形值有極小值，也就是在此間距時，地表最大沉降值S_max在此處取得最大值，為60.236mm。蘭州地區黃土狀土，按照粘性土對待，沉降槽寬度參數K取為0.7，地表位移觀測段隧道埋深為9米，所以由公式i=Kz_0可計算出此處的沉降槽寬度為：

i=Kz_0=0.7*9=6.3m? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

再根據隧道直徑為6.9米，由公式S_max=（0.313V_L D^2）/i進行變化可得到地層損失率表達式為：

V_L=（s_max.i）/（0.313D^2 ）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

將隧道直徑、沉降槽寬度、地表最大沉降值S_max 的數值均帶入上式，可得到蘭州黃土地層淺埋暗挖法施工時，DK32+317斷面地層損失率數值為2.55%。

3.2 沉降量預測

以蘭州地區為例，蘭州地區為黃土狀土，按照粘性土對待，沉降槽寬度參數K取為0.7，地表位移觀測段隧道埋深按10米計算，得到i=7。由上文中計算得到的地層損失率數值為VL=2.55%，隧道直徑D按7米計算。利用式（3）可計算出最大沉降量S_max=54.67mm。

4? 結論

通過利用Midas-GTS-NX軟件的建模模擬計算，可以得出以下結論：

（1）在三種開挖情況下最大沉降量的位置和數值基本無差別，最大沉降量的位置主要集中在拱頂部分和拱頂上的土體表面處，沉降量在27mm左右。對比三種不同米數開挖方法，可以分析出，開挖米數越小，沉降的控制就更加的精確。但是實際工程中，開挖的米數越多，工程任務就會越繁雜。

（2）在沉降預測方面，針對蘭州地區黃土狀土通過PECK公式，按照粘性土對待，則地表沉降槽寬度參數K取為0.7，沉降觀測段的隧道埋深為9米，可預測出此處的沉降槽寬度為6.3米;已知隧道直徑為6.9米，可得到蘭州黃土地層淺埋暗挖法施工時，某斷面地層損失率數值為2.55%。通過PECK公式以及地層損失率就可以計算在相同土質地區的最大沉降量為54.67mm。

參考文獻

[1]馬禧祥，陳彥.高速鐵路黃土隧道施工變形規律及預留變形量研究[J].科技創新與應用，2019，（06）：79-81.

[2]陳朝陽，高新強，熊華濤.淺埋黃土隧道洞身穿越巖土分界受力變形特征[J].地下空間與工程學報，2020，16（S1）：270-277.

[3]劉旭全，劉驚東，宋領弟.黃土地層盾構下穿既有地鐵隧道施工參數及變形控制試驗研究[J].現代城市軌道交通，2020，（07）：56-61.

[4]霍潤科，秋添，李曙光，曹新祥，錢美婷.不同加固方案下富水黃土隧道地層變形規律分析[J].長江科學院院報，2020，37（07）：96-104.

[5] 李龍福，潘祖瑛，江東平. 淺埋黃土隧道施工沖溝段地層變形研究[J]. 地下空間與工程學報，2018，14（S2）：774-780+802.

[6]于介.黃土塬區淺埋大斷面隧道施工變形分析與控制技術[J/OL].隧道建設（中英文）：1-8[2020-01-05 17：19].

[7]楊波，肖凱成，楊新安.臺階法開挖黃土隧道圍巖變形規律[J].南昌大學學報（理科版），2015，39（06）：559-562.