城市地鐵施工誘發(fā)地表沉降及影響因素數(shù)值分析

摘要：文章以西南某地區(qū)地鐵工程為例，采用有限元軟件MIDAS/GTS建立數(shù)值分析模型，將數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行對比，并分別探討了不同錨桿長度和錨桿間距、不同開挖方法條件下以及采用小導管注漿前后的地表沉降變化規(guī)律。結(jié)果表明：地表沉降數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本吻合，隧道拱頂、拱腰和拱頂正上方地表處的實測最大值與數(shù)值模擬值誤差均在10%以內(nèi)，證明了模型的準確性;減小錨桿間距和增大錨桿長度可以有效地減小地表和拱頂沉降，且增大錨桿長度在減小地表沉降方面表現(xiàn)更為優(yōu)越;采用雙側(cè)壁導坑法和保留核心土臺階法能有效控制地表沉降，且采用雙側(cè)壁導坑法時效果最優(yōu);采用小導管注漿之后能使地表沉降減小34.6%，具有較好的實際效果。

關(guān)鍵詞：隧道工程;數(shù)值模擬;錨桿;開挖方法;小導管注漿

0 引言

近年來，隨著城市化進程的加速，越來越多的城市開始規(guī)劃和建設地鐵。在地鐵的建設過程中，也遇到了一些問題，諸如隧道開挖誘發(fā)上覆地表過大沉降、鄰近建筑物被破壞以及鄰近地下管線被破壞等，嚴重威脅城市道路的安全及影響相關(guān)設施的運營，尤其是引起的地表沉降，當沉降值過大時不僅會造成巨大的經(jīng)濟損失，還可能會導致工程事故，威脅人們的生命安全。近年來，一些學者進行了相關(guān)研究，主要有：吳賢國、陳華等人[1-2]主要研究土體的內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力等多個指標對地表沉降的影響，并分析了地鐵盾構(gòu)施工引起地表沉降的原因及控制方法;王璐、廖利釗等人[3-4]結(jié)合西安地鐵進行了探討，采用FLAC3D對盾構(gòu)推進過程進行了模擬，分析了隧道縱向沉降分布規(guī)律、黃土特性對盾構(gòu)法施工中地表沉降的影響，得出了黃土地區(qū)地表沉降的一般規(guī)律;洪源等人[5]采用FLAC3D對深圳某地鐵線隧道盾構(gòu)施工進行數(shù)值模擬，分析了不同施工階段的地表變形及其影響因素，分析結(jié)果表明隨著盾構(gòu)掘進的推進，地表沉降范圍不斷擴大，最大沉降值也不斷提高;周憲偉等人[6]采用ANSYS有限元軟件對盾構(gòu)隧道動態(tài)開挖過程進行數(shù)值模擬，并考慮了土體的分層特性、土體材料的本構(gòu)非線性以及注漿施工對土體變形的影響，提出了考慮襯砌與土體共同作用的硐周結(jié)點荷載釋放系數(shù)法。

本文主要以西南某地區(qū)地鐵工程為例，采用有限元軟件MIDAS/GTS建立數(shù)值分析模型，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行對比，之后分別探討不同錨桿長度和錨桿間距、不同開挖方法條件下以及采用小導管注漿前后的地表沉降變化規(guī)律，研究結(jié)果和相關(guān)結(jié)論可為工程設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

西南地某地鐵工程YK12+624～YK14+328區(qū)間采用暗挖法施工，全長1 704 m，下穿主城區(qū)繁華的步行街道，地表交通四通八達，地下管線、污水管道錯綜復雜。該區(qū)間內(nèi)隧道設計埋深12～17 m，整體呈現(xiàn)出南高北低的地勢。在該區(qū)段內(nèi)，主要以雜填土、黃土、黏土以及粉質(zhì)黏土為主，其中隧道下穿區(qū)域以黃土和黏土為主。工程區(qū)內(nèi)無地表水存在，地下水埋深在16.5～21.5 m范圍內(nèi)。隧道按照雙側(cè)壁導坑法施工。圖1為隧道斷面示意圖，隧道最大內(nèi)徑為5.8 m，襯砌厚度為60 cm。

2 數(shù)值建模

如圖2（a）所示，為采用有限元軟件MIDAS/GTS建立的數(shù)值分析模型。由于隧道埋深較淺，建模時模型上表面即為地表，模型左右、前后邊界以及底部均可進行位移和邊界約束。土體本構(gòu)模型采用摩爾庫倫本構(gòu)模型。隧道斷面尺寸按照原始尺寸取值，模型長、寬、高分別為100 m、10 m和60 m，網(wǎng)格共計16 786個，其中土體采用實體單元。[JP]隧道支護包括兩部分：即初期支護和二次支護。其中初期支護為“噴漿+錨桿支護”，噴漿厚度為25 cm;二次支護為修筑襯砌，厚度為35 cm。初期支護噴射混凝土和二次支護分別采用C25和C30混凝土，采用實體單元建模。如圖2（b）所示，為隧道模型和錨桿布置，錨桿長度為3.0 m，直徑為25 mm，間距為2 m，橫斷面上共計32根。表1給出了模型從上至下的土體物理力學參數(shù)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果對比分析

如下頁圖3所示，為了驗證數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，將有限元模型地表沉降數(shù)據(jù)提取出來并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比。由圖3可知，數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本吻合，隧道正上方地表處實測沉降最大值為17.8 mm，數(shù)值模擬結(jié)果最大值為19.2 mm，二者曲線均呈現(xiàn)出高斯分布形式。

如圖4所示，為實測隧道拱頂、拱腰和拱頂正上方地表處A點隨時間的沉降曲線，在初期，三者沉降速率均較快，20 d之后沉降速率逐漸放緩，最終在80 d左右逐漸趨于穩(wěn)定。對比三者可知，地表最大沉降大于隧道內(nèi)壁拱頂沉降，拱腰水平收斂值最小。表2給出了隧道拱頂、拱腰和拱頂正上方地表處A點的實測最大值與數(shù)值模擬值，三者誤差均在10%以內(nèi)，也證明了模型的準確性。

3.2 不同錨桿長度和間距條件下的支護效果分析

為了探究不同錨桿長度和間距條件下的支護效果，本文擬定三種工況：（1）工況一：錨桿間距為1.5 m，長度取3.0 m;（2）工況二：錨桿間距為2.0 m，長度取3.0 m，該工況即為實際施工采用的錨桿尺寸和間距;（3）工況三：錨桿間距為1.5 m，長度取2.5 m。模型其他取值不變。通過監(jiān)測拱頂和地表沉降值來顯示每種工況的支護效果，如圖5所示（圖中地表沉降即指隧道正上方地表A點沉降，下同）。圖中箭頭表示隧道的開挖方向，可以看到在掌子面處，已經(jīng)有些許沉降，這與掌子面處的土體已經(jīng)受擾動有關(guān)。隨著隧道不斷往前推進，拱頂和地表沉降緩慢趨于穩(wěn)定。對于工況一，拱頂和地表穩(wěn)定后沉降分別為13.5 mm和17.4 mm;對于工況二，拱頂和地表穩(wěn)定后沉降分別為17.1 mm和19.2 mm;對于工況三，拱頂和地表穩(wěn)定后沉降分別為16.7 mm和21.0 mm。對比工況一和工況二，相同錨桿長度時，當錨桿間距減小0.5 m時，拱頂和地表沉降分別減小了21.1%和9.4%;對比工況一和工況三，相同錨桿間距時，當錨桿長度增大0.5 m時，拱頂和地表沉降分別減小了19.2%和17.1%。由此可知，減小錨桿間距和增大錨桿長度都可以有效地減小地表和拱頂沉降，且增大錨桿長度在減小地表沉降方面表現(xiàn)更為優(yōu)越。

3.3 不同開挖方法時地表沉降對比分析

為了探究不同開挖方法的優(yōu)越性，本節(jié)將雙側(cè)壁導坑法、保留核心土臺階法以及全斷面法進行對比分析，模型其他取值不變，開挖步及距離參考文獻[7]。如圖6所示，對比三者可知，采用雙側(cè)壁導坑法時地表沉降最小，其次是保留核心土臺階法，最大的是全斷面法，三者最大沉降值分別為17.8 mm、21.4 mm和71.8 mm。相對于全斷面法，采用雙側(cè)壁導坑法和保留核心土臺階法時沉降分別減小了75.2%和70.2%，說明采用雙側(cè)壁導坑法和保留核心土臺階法能有效控制地表等沉降，且采用雙側(cè)壁導坑法時效果最優(yōu)。

3.4 采用小導管注漿前后地表沉降對比分析

在隧道工程中，采用小導管注漿加固地層是非常重要的方法，本工程采用小導管注漿，注漿范圍如圖7所示，加固厚度為1.0 m，加固寬度為5 m。圖8展示了注漿前后的地表沉降值。由圖8可知，采用小導管注漿能顯著減小地表沉降，未采用小導管注漿時最大沉降為18.5 mm，而采用小導管注漿之后沉降變?yōu)?2.1 mm，采用之后能使沉降減小34.6%，說明采用小導管注漿加固地層具有較好的實際效果。

4 結(jié)語

本文以西南某地區(qū)地鐵工程為例，采用有限元軟件MIDAS/GTS建立了數(shù)值分析模型，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行了對比，探討了不同錨桿長度和錨桿間距、不同開挖方法條件下以及采用小導管注漿前后的地表沉降變化規(guī)律，具體結(jié)論如下：

（1）地表沉降數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本吻合，隧道正上方地表處實測沉降值為17.8 mm，數(shù)值模擬結(jié)果最大值為19.2 mm。隧道拱頂、拱腰和拱頂正上方地表處的實測最大值與數(shù)值模擬值誤差均在10%以內(nèi)，證明了模型的準確性。

（2）相同錨桿長度條件下，當錨桿間距減小0.5 m時，拱頂和地表沉降分別減小了21.1%和9.4%;相同錨桿間距條件下，當錨桿長度增大0.5 m時，拱頂和地表沉降分別減小了19.2%和17.1%。減小錨桿間距和增大錨桿長度均可以有效地減小地表和拱頂沉降，且增大錨桿長度在減小地表沉降方面表現(xiàn)更為優(yōu)越。

（3）相對于全斷面法，采用雙側(cè)壁導坑法和保留核心土臺階法時沉降分別減小了75.2%和70.2%，說明采用雙側(cè)壁導坑法和保留核心土臺階法均能有效控制地表等沉降，且采用雙側(cè)壁導坑法時效果最優(yōu)。

（4）采用小導管注漿后能使地表沉降減小34.6%，即小導管注漿加固地層具有較好的實際效果。

[1]吳賢國，王彥紅，繆 翔，等.地鐵盾構(gòu)施工誘發(fā)地表沉降關(guān)鍵影響因素分析[J].土木建筑與環(huán)境工程，2015，37（2）：8-15.

[2]陳 華.對地鐵盾構(gòu)施工引起的地表沉降研究分析[J].四川水泥，2018，267（11）：263.

[3]王 璐，劉曉文.西安地鐵盾構(gòu)施工引起地表沉降規(guī)律分析[J].甘肅科學學報，2010，22（3）：149-152.

[4]廖利釗，郭 譜，楊 俊.地鐵隧道盾構(gòu)施工地表變形影響因素分析[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2016（2）：84-89.

[5]洪 源.盾構(gòu)法隧道施工地表沉降變形模擬分析[J].鐵道建筑，2012（4）：65-67.

[6]周憲偉，王幼青，李德海.盾構(gòu)法隧道施工引起地表變形分析[J].低溫建筑技術(shù)，2009（2）：96-98.

[7]李茂良，龍欽初.不同開挖方式下淺埋隧道施工數(shù)值模擬分析[J].湖南交通科技，2016（2）：221-223.

作者簡介：廖忠波（1976—），工程師、經(jīng)濟師，主要從事鐵路、市政、公路等基礎(chǔ)設施工程的管理工作。