涉水隧道開挖對土體沉降影響分析

馮文剛

(北京中水利德科技發展有限公司山東分公司，山東 臨沂 276000)

0 引 言

隧道施工過程中由于巖土體的開挖，原有應力平衡狀態遭到破壞，巖土體會達到新的應力平衡狀態，這個過程中會引起隧道周圍巖土體及建構筑物的變形，其中土體的沉降一直受到隧道設計和施工者的高度關注。邵俊杰等基于變形分級提出了一種隧道變形計算方法。江杰等分析了地面堆載對地鐵隧道變形的影響。郭小龍等分析了高地應力陡傾層狀軟巖隧道變形破壞機理[1-3]。陳秀義分析了高地應力狀態下硬質碎裂巖隧道變形機理。肖宗榮分析了軟弱圍巖隧道變形。肖宗榮提出了軟弱圍巖隧道變形控制方法[4-6]。濮居一等研究了軟弱地層中基坑土體加固對隧道變形影響。范雪輝等研究了軟弱地層中內撐式基坑開挖對隧道變形的影響。徐國元等分析了基坑開挖對隧道的影響[7-9]。朱國權等探索了基坑開挖順序對隧道的影響。郭磊等分析了地面堆載對隧道的影響。劉士海等研究了新建隧道斜交下穿既有盾構隧道的變形[10-12]。李釗等分析了隧道臺階法施工上臺階長度對隧道變形的影響。郭海峰等分析了建筑施工荷載引起鄰近地鐵隧道變形機理。姚宏波等分析了考慮空間效應的軟土隧道上方卸荷變形[13-15]。文章通過建立有限元模型，分析涉水隧道開挖對土體沉降的影響，為隧道工程設計和施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

某隧道開挖半徑2.5m，埋深15m，襯砌厚度0.35m，地層自上至下分布為：黏土，厚度5.0m，余下均為粉土。巖土工程勘察資料顯示，本場地地下水穩定水位埋深為4.5-5.6m，地下水平均埋深5.0m。室內水質分析結果表明，場地地下水不具有腐蝕性。

2 數值模擬

為提高分析結果的精度，文章采用15節點高精度三角形單元的離散模型。為消除邊界影響，通過試算，建模時，模型寬度取為40m，高度為30m，襯砌厚度為0.35m，地下水位取5.0m。有限元模型如圖1所示。模型參數詳見表1和表2。

圖1 有限元模型示意圖

3 數值模擬分析

3.1 監測點布設

隧道開挖過程中不僅會引起地面的沉降，同時還會引起隧道周圍土體的變形，為全面地反映隧道開挖過程中土體的沉降變化規律，鑒于模型的幾何對稱性，文章于地面上以A點(隧道頂部在地面上的對應點)為中心，間隔1m設置地面沉降監測點A、B、C；以D點(隧道頂部對應點)為中心，間隔1m設置隧道頂部沉降監測點D、E、F；以G點(隧道底部對應點)為中心，間隔1m設置隧道底部沉降監測點G、H、I。監測點布置相對位置詳見圖2。

表1 土層參數

表2 初襯材料參數

圖2 監測點相對位置關系圖

3.2 模擬結果分析

3.2.1 地面沉降模擬

地面監測點沉降，見圖3。

由圖3可知，地面沉降監測點A、B、C在隧道與周圍土體作用前后均呈現出沉降的規律，作用前三個監測點最大沉降均約為1.6mm，作用后均約為0.3mm，三個監測點的變化趨勢及變化量趨于一致，這與地面沉降量相對較小有關，同時還表明隧道支護作用后，有利于大幅度改善地面沉降，從而減少地面建構筑物的開裂和沉降。

圖3 地面監測點沉降

3.2.2 隧道頂部沉降模擬

隧道頂部監測點沉降，見圖4。

圖4 隧道頂部監測點沉降

由圖4可知，隧道頂部監測點D、E、F在隧道與周圍土體作用前后均呈現出沉降的規律，且三個監測點的沉降變化趨勢和變化量不一致，且距離隧道頂部越近，沉降變化越快、沉降量越大，表明沉降趨勢及沉降量與距離隧道頂部遠近有關。隧道支護作用后，D點沉降量由3.6mm減小為0.9mm、E點沉降量由2.8mm減小為0.5mm、F點沉降量由1.8mm減小為0.2mm，表明隧道支護作用后，有利于大幅度改善隧道頂部區域沉降。

3.2.3 隧道底部沉降模擬

隧道底部監測點沉降，見圖5。

圖5 隧道底部監測點沉降

由圖5可知，隧道底部監測點G、H、I在隧道與周圍土體作用前后均呈現出隆起的規律，且三個監測點的隆起變化趨勢和變化量不一致，且距離隧道頂部越近，隆起變化越快、隆起量越大，表明隆起趨勢及隆起量與距離隧道底部遠近有關。隧道支護作用后，G點隆起量由7.0mm減小為0.1mm、H點隆起量由5.0mm減小為0.05mm、I點隆起量由1.8mm減小為-0.1mm，呈現出沉降的趨勢，表明隧道支護作用后，有利于大幅度改善隧道底部區域隆起。

3.2.4 總體沉降模擬

隧道與周圍土體作用前(土體開挖未支護)總體沉降，見圖6；隧道與周圍土體作用后總體沉降，見圖7。

由圖6和圖7可知，隧道與周圍土體作用前后，隧道豎直面上均表現出隧道頂部至地面呈現沉降趨勢，且隨著深度增加，沉降量不斷增大，隧道頂部沉降量最大(分別為-10mm、-1mm)，隧道底部向下呈現土體隆起的趨勢，且距離隧道底部越遠隆起量越小，隧道底部最大隆起量分別為6mm、0.8mm，即豎直面上靠近隧道的土體受隧道開挖影響較大。隧道與周圍土體作用前，以隧道頂部至地面對應點為中心，地面變形均呈現沉降趨勢，且越靠近中心點沉降量越大。隧道與周圍土體作用后，土體的沉降及隆起影響范圍及數值皆大幅減小，地面沉降亦呈現越靠近中心點沉降量越大的趨勢，且遠離中心點處還呈現出微微隆起的趨勢，這與上述各部位監測點的變化趨勢一致。

圖6 隧道與周圍土體作用前(土體開挖未支護)總體沉降

圖7 隧道與周圍土體作用后總體沉降

4 結 論

1)地面沉降監測點A、B、C在隧道與周圍土體作用前后均呈現出沉降的規律，作用前三個監測點最大沉降均約為1.6mm，作用后均約為0.3mm，三個監測點的變化趨勢及變化量趨于一致，這與地面沉降量相對較小有關。

2)隧道頂部監測點D、E、F在隧道與周圍土體作用前后均呈現出沉降的規律，且三個監測點的沉降變化趨勢和變化量不一致，且距離隧道頂部越近，沉降變化越快、沉降量越大，表明沉降趨勢及沉降量與距離隧道頂部遠近有關。

3)隧道底部監測點G、H、I在隧道與周圍土體作用前后均呈現出隆起的規律，且三個監測點的隆起變化趨勢和變化量不一致，且距離隧道底部越近，隆起變化越快、隆起量越大，表明隆起趨勢及隆起量與距離隧道底部遠近有關。

4)隧道與周圍土體作用前后，隧道豎直面上均表現出隧道頂部至地面呈現沉降趨勢，且隨著深度增加，沉降量不斷增大，隧道頂部沉降量最大，隧道底部向下呈現土體隆起的趨勢，且距離隧道底部越遠隆起量越小，即豎直面上靠近隧道的土體受隧道開挖影響較大。

5)隧道與周圍土體作用前，以隧道頂部至地面對應點為中心，地面變形均呈現沉降趨勢，且越靠近中心點沉降量越大。隧道與周圍土體作用后，土體的沉降及隆起影響范圍及數值皆大幅減小，地面沉降亦呈現越靠近中心點沉降量越大的趨勢，且遠離中心點處還呈現出微微隆起的趨勢。