黃土地區(qū)地鐵隧道對地表沉降變形的影響分析

摘 要：為研究隧道開挖對地表沉降變形的影響，本文以某黃土地區(qū)地鐵隧道工程為例，采用數(shù)值模擬系統(tǒng)分析了黃土地區(qū)隧道開挖對地表及隧道圍巖變形的影響。結(jié)果表明：隧道開挖對圍巖的影響主要分為緩慢增加、急劇增加和趨于平穩(wěn)3個(gè)典型過程。隧道拱頂變形與地表沉降變化趨勢基本相同，圍巖兩邊的變形表現(xiàn)為先增后減最后穩(wěn)定的趨勢。針對距離地表比較近且斷面尺寸大的淺埋暗挖隧，采用臺階法的施工工序復(fù)雜，容易對地表沉降變形影響較大，因此可以通過導(dǎo)管注漿及架立鋼拱架等支護(hù)方法減少隧道施工對地表變形的影響。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道；黃土地區(qū)；地表變形；數(shù)值模擬

中圖分類號：U 45 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全國各地的地鐵隧道工程也取得了進(jìn)步。但在實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)，開挖地鐵隧道經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致地表沉降變形嚴(yán)重。因此，國內(nèi)外很多學(xué)者對地鐵隧道施工穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)分析。王樹明等[1]基于模型試驗(yàn)系統(tǒng)研究了黃土地區(qū)的地鐵隧道不同濕陷變形方式。結(jié)果表明，濕陷最終累計(jì)沉降量大于均勻濕陷最終累計(jì)沉降量。此外，不均勻濕陷對地鐵結(jié)構(gòu)物的危害更大，兩種濕陷變形方式均對隧道中線附近沉降影響最大。賀希英等[2]基于數(shù)值模擬研究了黃土地區(qū)深基坑開挖工程對下臥變截面地鐵隧道的影響。結(jié)果表明，地下水位的變化使土體應(yīng)力改變，從而導(dǎo)致隧道變形。其中，開挖卸荷會(huì)引起坑底回彈。王軍琪等[3]基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析了黃土地區(qū)通道上跨既有地鐵隧道襯砌的受力分析。結(jié)果表明，初期支護(hù)與二次襯砌間的接觸壓力先跨線整體比后跨線小，左右線各測點(diǎn)接觸壓力在上跨施工過程中均表現(xiàn)為增加。

本文根據(jù)黃土地區(qū)某地鐵隧道工程，采用ABAQUS數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析了黃土地區(qū)隧道開挖引起的地表沉降問題。研究可為類似隧道的施工提供參考。

1 工程概況及數(shù)值模擬

1.1 工程概況

本文以某城市地鐵盾構(gòu)隧道工程為例，對其沉降變形進(jìn)行研究。該地鐵隧道的施工方法主要采用短臺階+臨時(shí)仰拱法。隧道支護(hù)采用?42mm×3.5mm的注漿支護(hù)，為了保證隧道拱頂?shù)姆€(wěn)定性，對拱頂土體進(jìn)行預(yù)加固。此外，在鋼拱架架立后及時(shí)噴射混凝土，提高隧道與圍巖的整體性。隧道支護(hù)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

隧道區(qū)間地面高程約為401～406m，沿線表現(xiàn)出典型的南高北低的趨勢。擬建場地地層由上到下分別為人工填土、上更新風(fēng)積新黃土層、中更新統(tǒng)老黃土層、沖積粉質(zhì)黏土和中砂。其中，人工填呈灰色-灰褐色，密實(shí)度較差，碎石含量通常大于60%，填充黏土；黃土層呈黃色-紅褐色，顆粒組成以0.075～0.005mm為主，粒徑大于0.25mm的較少。不均勻系數(shù)為8.2；粉質(zhì)黏土層呈淺灰色，濕，稍密，局部相變?yōu)轲ね痢１酒骄鶚?biāo)貫擊數(shù)N＝6.6擊，物理力學(xué)性質(zhì)一般。中砂層呈灰色-灰黑色，顆粒大部分分散，小部分膠結(jié)，粒徑大于2mm的顆粒含量占總質(zhì)量的25％～50％，稍濕～飽和，中密狀態(tài)。根據(jù)勘察資料，研究區(qū)降雨量充沛，降水多數(shù)以地表徑流方式匯入河溝，其余降水沿第四系基巖孔隙滲入地下，是地下水補(bǔ)給主要來源。

1.2 數(shù)值模型

采用ABAQUS數(shù)值有限元建立計(jì)算模型（圖2）。隧道開挖方式為短臺階+臨時(shí)仰拱法，支護(hù)方式采用復(fù)合式襯砌。隧道開挖后立即進(jìn)行支護(hù)，循環(huán)開挖進(jìn)尺為2m。數(shù)值模型取左右線各60m進(jìn)行建模分析。模型左右邊界長度為4倍洞徑。模型總長度為75m。寬度為60m，高度為35m。最終得到的模型網(wǎng)格總數(shù)為36500，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為41352個(gè)。數(shù)值模型的邊界條件為約束左右兩側(cè)水平方向的位移，模型底部約束3個(gè)方向的自由度，頂部為自由面。隧道埋深為9.5m。本文計(jì)算采用的巖土體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)見表1。隧道襯砌支護(hù)采用混凝土，對應(yīng)的材料彈性模量為38MPa，重度為28kN/m3，泊松比為0.22，厚度為0.3m。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 地鐵隧道橫向地表變形

圖3為不同斷面地表橫向變形的變化規(guī)律。結(jié)果表明，地表沉降變形隨橫向距離的增加呈現(xiàn)先變大后變小的趨勢。當(dāng)隧道右線開挖深度為50m時(shí)，相同橫向距離下，隨隧道開挖深度越大，地表橫向變形越大。其中，地表橫向變形的最大值出現(xiàn)在隧道中線偏右3m位置處。最終形成的地表沉降槽大約為隧道直徑的2倍。

圖4為采用不同模型的地表橫向變形（隧道右線挖深50m）對比結(jié)果。結(jié)果表明，各種模型計(jì)算的地表橫向變形的差異性較大。其中，各種模型計(jì)算的地表橫向變形值均小于實(shí)測值。Peck模型、Sagaseta模型、數(shù)值模擬及實(shí)測數(shù)據(jù)得到的地表最大橫向變形值分別為10.2mm、5.3mm、17.1mm和19.9mm（見表2）。總體來看，各模型得到的地表橫向變形的最大值均小于規(guī)范規(guī)定的上限值（50mm）。證明隧道開挖對地表的沉降變形影響是可控的。

2.2 地鐵隧道縱向地表沉變形

圖5為當(dāng)右線開挖至50m時(shí)，地表縱向變形的對比分析結(jié)果。結(jié)果表明，地表縱向沉降曲線大致呈“S”形。其中掌子面的地表沉降變形值最大。沉降最大值約為19mm。總體來看，地表縱向變形隨著與洞口距離的增加而先變大再趨于平緩。隨著掌子面的推進(jìn)，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。距離掌子面的距離越遠(yuǎn)，傳遞到地表的沉降變形值越小。此外，對比各種計(jì)算模型的結(jié)果可知，Sagaseta與實(shí)測數(shù)據(jù)的偏差最大，而Peck公式和數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果最接近[5-6]。

2.3 地鐵隧道拱頂變形

圖6為當(dāng)右線掌子面開挖深度為50m，左線支護(hù)完畢時(shí)，左右線隧道拱頂沉降的變化規(guī)律。結(jié)果表明，拱頂沉降隨著與洞口的距離增加而先變大后趨于平穩(wěn)。開挖初始面沉降變形值最大，其中左線最大值約為20mm，右線約為22mm。可以發(fā)現(xiàn)右線隧道拱頂變形略大于左線隧道拱頂沉降。左隧道超前開挖對周圍巖土體產(chǎn)生擾動(dòng)，因此導(dǎo)致右線隧道土體產(chǎn)生沉降，當(dāng)右隧道開挖時(shí)又會(huì)產(chǎn)生沉降，最終沉降變形結(jié)果是兩次沉降疊加的效果。此外，數(shù)值模擬與實(shí)測值變化趨勢基本相同，證明本文的數(shù)值模擬是合理的。數(shù)值模擬可以有效模擬臺階法施工的雙線地鐵隧道變形規(guī)律[4-6]。

2.4 地鐵隧道幫部圍巖變形

為了進(jìn)一步分析隧道圍巖的變形規(guī)律，本文對隧道左右兩線4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行分析。4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)分別為左線30m左幫位置、左線30m右?guī)臀恢谩⒂揖€30m左幫位置和右線30m右?guī)臀恢茫▓D1）。

匯總得到隧道左幫變形和隧道右?guī)蛧鷰r變形。隧道左幫變形監(jiān)測結(jié)果表明，當(dāng)隧道右線開挖深度為60m時(shí)，左線30m左幫X1監(jiān)測點(diǎn)的變形值迅速變大，最大值為3.3mm；右線30m左幫X3監(jiān)測點(diǎn)最大變形值出現(xiàn)在右線開挖至20m深度時(shí)。由于左線開挖對右線會(huì)產(chǎn)生影響，因此當(dāng)右線開挖深度為30m時(shí)，X1變形較大。總體來看，兩測點(diǎn)的變形趨勢相同且數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較吻合。

隧道右?guī)妥冃伪O(jiān)測結(jié)果表明，當(dāng)距洞口位置小于30m時(shí)，隧道右?guī)蛧鷰r會(huì)變形，變形較小。當(dāng)距離大于30m時(shí)，圍巖變形迅速變大。其中，當(dāng)右線開挖深度為60m時(shí)，X4測點(diǎn)出現(xiàn)最大變形值，約為10.6mm；當(dāng)右線開挖深度為30m時(shí)，X2測點(diǎn)的變形基本趨于穩(wěn)定。當(dāng)右線開挖深度為30m時(shí)，左線開挖已經(jīng)基本完成。因此，左線30m右?guī)臀恢米冃畏€(wěn)定。

3 結(jié)論

本文根據(jù)黃土地區(qū)某地鐵隧道工程，采用ABAQUS數(shù)值模擬系統(tǒng)分析了黃土地區(qū)隧道開挖引起的地表沉降，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行對比分析。得出以下結(jié)論。1）黃土地區(qū)隧道開挖對圍巖的影響主要分為3個(gè)階段，分別為緩慢增加、急劇增加和趨于平穩(wěn)。其中開挖初期，圍巖變形增長速率較低。地表變形的最大值位置通常為隧道中線偏右側(cè)約3m處且地表沉降槽約為2倍的隧道外徑。2）隧道導(dǎo)致的地表縱向沉降呈“S”形，最大值出現(xiàn)在掌子面處，隨著縱向開挖深度的增加，沉降變形值逐漸趨于穩(wěn)定。3） 隧道開挖對地表變形的影響因素較多，對黃土地區(qū)來說，土體的濕陷性影響較大。在實(shí)際工程中，應(yīng)加強(qiáng)對圍巖含水量進(jìn)行監(jiān)測。對淺埋暗挖隧道來說，由于隧道距離地表較近，因此對地表沉降變形影響較大。在工程中，可采取導(dǎo)管注漿或鋼拱架支護(hù)措施控制地表的沉降變形。

參考文獻(xiàn)

[1]王樹明，梁慶國，王二磊.黃土地區(qū)地鐵隧道不同濕陷變形方式模型試驗(yàn)系統(tǒng)的研制及應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2020，57（2）：157-162.

[2]賀希英，高強(qiáng)，張曉光，等.黃土地區(qū)基坑開挖對下臥變截面地鐵隧道影響數(shù)值分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2019，17（1）：221-226.

[3]王軍琪，康佐，趙杰.黃土地區(qū)通道上跨既有地鐵隧道襯砌受力分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2015，32（11）：120-127.

[4]李慶園，孟昌，朱元偉，等.黃土地區(qū)地鐵隧道盾構(gòu)施工時(shí)既有房屋的變形規(guī)律分析[J].城市軌道交通研究，2013，16（12）：103-107.

[5]饒宇，夏元友，趙根，等.盾構(gòu)引起地表沉降預(yù)測模型與影響因素分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37（2）：63-68.

[6]侯樂樂，翁效林，黃文鵬，等.濕陷性黃土地鐵隧道基底注漿加固處治試驗(yàn)[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，42（2）：91-102.