淺埋暗挖地鐵隧道施工圍巖的變形與隆起分析

谷振偉 丁海濱

摘 要：城市地鐵隧道施工擾動了周圍的圍巖，必然會造成地層的變形，并且在不同的施工條件下變形量也不一樣。淺埋隧道由于其上面的覆土厚度小，在受到較大的擾動如果沒有做好防護措施可能會產生很大的沉降，造成嚴重的后果。本文主要是通過采用ABAQUS有限元軟件，模擬地鐵隧道開挖過程中土層的變形規律，主要是對地層的豎向位移、水平位移及圍巖的隆起做了計算分析，并簡述了應當采取的措施。

關 鍵 詞：隧道、淺埋暗挖、地層沉降、圍巖隆起

1 引言

地鐵隧道在開挖過程中不可避免的會導致土體的擾動，為了能夠有效的預防和減少由于隧道施工引起的地表沉降和變形產生的不良的影響，有必要對地層的變形規律進行研究。

城市地鐵隧道在施工過程中地層變形發生的主要原因是施工過程中導致了地層的損失或者受剪切破壞的重塑土的在固結所造成的。隧道周圍土體在彌補地層損失中，發生地層移動，從而引起地表沉降。還有一種情況是，在含水地層中進行隧道施工時可能會引起周圍土體內部的空隙水壓力變化，從而使地層發生排水固結沉降。所以在施工過程中禁止抽排地下水。

2 工程概況

青島某地鐵隧道采用暗挖法施工，地鐵隧道的最小埋深只有6.2m，屬于淺埋隧道。隧道的襯砌由初期支護和二次襯砌組成的復合式襯砌。隧道所處的圍巖按Ⅲ～Ⅴ級圍巖，隧道結構外側的系統錨桿注漿厚度為4m。隧道的初期支護、臨時初期支護和二次襯砌采用鋼筋混凝土材料。

土層物理力學性質指標見表1。

3 建模分析

本文采用ABAQUS建模分析，隧道支護結構和圍巖采用實體單元來進行建模分析；模型的尺寸根據開挖的影響范圍取為：長 90m，寬 90m，高 50m。

計算模型的單元類型為三維8節點減縮積分實體單元（C3D8R）；襯砌結構的鋼筋混凝土材料中沒有對鋼筋模擬，只是通過改變了材料彈性模量來考慮鋼筋的存在；初期支護厚度取30cm，二次襯砌取60cm，在隧道仰拱處的二次襯砌設計時稍厚一點，但為了簡化模型計算厚度也取60cm。模型計算的邊界條件為：底面為固定約束，四個側面設置法向的約束，上表面為自由面。

4 計算結果與分析

對于淺埋暗挖的地鐵隧道的施工，位移的考慮主要是開挖后圍巖巖體的豎向位移的大小，但也應適當地考慮水平位移的大小。本文對豎向位移與水平位移進行了計算與分析，同時對圍巖的隆起做了簡單的分析，并且在模擬的過程中考慮施工風道時兩者的變化情況。

1、 豎向位移計算與分析

根據對隧道開挖過程的模擬得出圖1的豎向位移與隆起的變化圖示。

從圖1可以看出，隧道剛開始開挖時，圍巖的最大沉降值和最大隆起值增勢都比較明顯，在風道開挖的過程中兩者基本處于持平的狀態；當進行主體開挖時，圍巖的沉降值和隆起值都開始迅速的增長。

2、 水平向位移計算與分析

根據對隧道開挖過程的模擬得出圖2的豎向位移與隆起的變化圖示。

由圖7可知，隧道開始開挖時，圍巖的最大水平收斂值增加的比較明顯，在風道開挖的過程中基本保持持平狀態；隨著主體結構的開挖，水平的最大正位移在不斷增加，最大負位移基本趨于于不變，凈空最大收斂值也處于上升的趨勢。

5 結 論

地鐵隧道在剛開始開挖以及在開始主體結構開挖時圍巖的豎向位移及橫向位移和圍巖的隆起都發生急劇的變化，圍巖在此時容易受到擾動，甚至引起地面大范圍沉降，因此在這兩個階段應做好相應的防護措施。

由于在開始進行主體結構開挖時圍巖的位移和隆起變形會產生急劇的變化，所以在保證工作面穩定正常開挖的條件下，應盡量的保證或限制地下水的抽排。

6 參考文獻

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