城市淺埋隧道對地表沉降影響因素研究

李　強， 楊立志, 李忠友, 孫衡林, 汪　晟

(中國航空港建設(shè)第八工程總隊， 遼寧沈陽 110021)

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城市淺埋隧道對地表沉降影響因素研究

李強， 楊立志, 李忠友, 孫衡林, 汪晟

(中國航空港建設(shè)第八工程總隊， 遼寧沈陽 110021)

城市中隧道開挖引起的地表沉降問題受到了越來越多的關(guān)注，特別是淺埋隧道引起的地表沉降問題尤為突出。文章利用有限元模擬的方法，對圍巖的力學參數(shù)(彈性模量、泊松比)、洞室的幾何尺寸、埋置深度等外界因素對地表沉降的影響規(guī)律進行了定性的分析，為實際工程提供參考。

淺埋隧道；地表沉降；影響因素；有限元

當今，發(fā)達國家已經(jīng)把對城市地下空間的開發(fā)利用作為解決城市人口、資源、環(huán)境3大危機的重要措施和實施城市可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。世界范圍內(nèi)工程界普遍認為:“19世紀是橋梁的世紀，20世紀是高層建筑的世紀，21世紀則是人類開發(fā)利用地下空間的世紀”[1-2]。城市地下空間作為新型國土資源受到世界發(fā)達國家越來越多的重視，如在交通量較大的街道下修建橫穿街道的地下過街通道等，充分利用地下空間，減少人車交通干擾，是改善城市交通狀況、提高道路通行能力、減少交通事故和方便行人的有效途徑。因而對城市淺埋隧道的地面沉降的影響因素進行研究具有一定的實際意義。

以往研究表明，隧道開挖產(chǎn)生的地層沉降變形的主要因素分為外界因素和隧道自身因素。外界因素一般包括：地層土體特征、地下水、地層應力釋放、施工方法及施工工藝和荷載大小及作用方式等。自身因素一般包括：洞室的埋深、洞室的形狀、洞室的幾何尺寸和支護結(jié)構(gòu)強弱及方式。本文針對地下過街通道洞室圍巖的力學參數(shù)(彈性模量、泊松比、c、φ值等)、洞室的幾何尺寸、埋置深度等外界因素對地表沉降的影響規(guī)律進行分析。

1　計算模型及參數(shù)

由于支護結(jié)構(gòu)對洞室的變形有明顯的作用，當支護結(jié)構(gòu)強度較大時，可能導致洞室圍巖的力學參數(shù)、幾何尺寸和埋置深度等因素對地表沉降的影響表現(xiàn)不明顯，因而為了更加清晰的反映出各種因素對洞室引起地表沉降的影響規(guī)律，不考慮襯砌等支護措施的影響。而當圍巖材料參數(shù)按照土體性質(zhì)來取，會導致無支護時洞室破壞，因而為了保證在洞室未發(fā)生破壞的條件下研究各種因素對地表沉降的影響，對計算模型作如下簡化處理：(1)圍巖材料選為巖石類材料，巖石層厚28 m。(2)地下過街通道初始狀態(tài)寬6 m、高5 m。有限元計算模型網(wǎng)格劃分如圖1所示，初始地應力場引起的地層豎向位移如圖2所示。

圖1　有限元計算模型網(wǎng)格劃分

圖2　初始地應力場引起的地層豎向位移

圍巖初始力學參數(shù)為：E=1 GPa，v=0.3，ρ=20 kN/m3，c=1.5 MPa，φ=40°。在此初始值基礎(chǔ)上分別改變彈性模量、泊松比和洞室的幾何尺寸，埋置深度等外界因素來研究其對地表沉降的影響規(guī)律。洞室開挖后引起的豎向和橫向位移見圖3和圖4所示。

圖3　洞室開挖后地層豎向位移

圖4　洞室開挖后地層橫向位移

2　城市淺埋隧道地表沉降影響因素研究

2.1圍巖力學參數(shù)對地表沉降的影響

2.1.1彈性模量對地表沉降的影響

為研究圍巖彈性模量對地表沉降的影響，在保持其他材料力學參數(shù)不變的情況下，分別取彈性模量為0.5 GPa、1 GPa、2 GPa、3 GPa、4 GPa、5 GPa共6組數(shù)值進行分析。不同彈性模量引起的地表最大豎向位移及地表沉降分布規(guī)律如圖5所示。從計算結(jié)果可以看出，當材料的彈性模量相對較小時對地表沉降影響較大，隨著彈性模量的增加，其對地表沉降的影響卻隨之降低。洞室開挖引起的地表反拱隨彈性模量的增大而減小。

圖5　彈性模量對地表沉降的影響

2.1.2泊松比對地表沉降的影響

為研究圍巖泊松比對地表沉降的影響，在保持其他材料力學參數(shù)不變的情況下，分別取泊松比為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.49共6組數(shù)值進行分析，計算結(jié)果如圖6所示。從計算結(jié)果可以看出，當泊松比為0時，洞室開挖引起的地層沉降量最大，特別是隨著泊松比的增大，周圍地表的沉降逐漸增大，距隧道中心點30 m處的地表沉降與隧道中心點處地表沉降之比，隨泊松比為的增大，從0增大到0.7。

圖6　泊松比對地表沉降的影響

圖7　洞室寬度對地表沉降的影響

2.2地下通道寬度對地表沉降的影響

在保證地下過街通道高度不變的情況下，改變洞室的寬度為5 m、6 m、7 m、8 m、9 m、10 m共6組數(shù)值進行分析，計算結(jié)果如圖7所示。從計算結(jié)果可以看出，隨著洞室寬度的增加，地表沉降也隨之加大，沉降槽寬度增大。但是，洞室開挖主要對其上方地表沉降影響較大，對兩側(cè)影響相對較小。

2.3埋置深度對地表沉降的影響

在保證地下過街通道其它條件不變的情況下，改變洞室的埋深為2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m共6組數(shù)值進行分析，計算結(jié)果如圖8所示。從計算結(jié)果可以看出隨著洞室埋深的增加，地表沉降也隨之增大，但增速逐漸減緩，地表反拱逐漸減小，沉降槽逐漸增大。

圖8　洞室埋深對地表沉降的影響

3　結(jié)論

本文對地下過街通道洞室圍巖的力學參數(shù)(彈性模量、泊松比、c、φ值等)、洞室的幾何尺寸、埋置深度等外界因素對地表沉降的影響規(guī)律進行分析。分析表明：

(1)隨著彈性模量的增加，其對地表沉降的影響卻隨之降低。洞室開挖引起的地表反拱隨彈性模量的增大而減小。當泊松比在0.2～0.3之間時，洞室開挖引起的地表沉降量最大，特別是隨著泊松比的增大，周圍地表的沉降逐漸增大。

(2)隨著洞室寬度的增加，地表沉降也隨之加大，沉降槽寬度增大。但可以看出，洞室開挖主要對其上方地表沉降影響較大，對兩側(cè)影響相對較小。

(3)隨著洞室埋深的增加，地表沉降也隨之增大，但增速逐漸減緩，地表反拱逐漸減小，沉降槽逐漸增大。

[1]錢七虎.迎接我國城市地下空間開始高潮[J].巖土工程學報，1998，20(1):112-113.

[2]劉寶探.綜合利用城市地面及地下空間的的幾個問題[J].巖石力學與工程學報，1999，18(1):109-111.

李強，男，本科，高級工程師，從事機場施工技術(shù)研究；楊立志(1974～),男，工程師，從事機場工程施工技術(shù)研究。

U456.1

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[定稿日期]2016-03-15