重慶地鐵隧道開挖引起的位移數值模擬研究

張晨翔

（重慶交通大學 土木工程學院 重慶 400074）

重慶地鐵隧道開挖引起的位移數值模擬研究

張晨翔

（重慶交通大學 土木工程學院 重慶 400074）

以重慶地鐵隧道實際工程為例，利用數字模擬有限元軟件Midas-gts對隧道開挖引起的地表沉降、拱頂沉降、凈空收斂進行數值模擬和研究，將模擬數值與實測的數據進行對比。找出位移的變化規律，同時對比兩者的差值。從而對施工安全提出相應的建議和措施，確保隧道施工的安全同時不影響周圍的環境。

重慶地鐵；數值模擬；隧道開挖 位移變化

1 引言

隨著中國城市化水平和經濟水平的大幅度提高，城市擁堵問題也隨之顯現出來。城市土地資源的有效利用尤為重要，合理開發地下資源是21世紀一個非常重要的課題。但是大量的地下工程的建設，造成了地下施工環境的復雜化和安全問題的嚴峻化。城市地鐵的開挖形成地層損失和地層位移將會引起地表沉降和變形。過大的地表沉降與變形將會使產生裂縫或塌陷，從而會影響建筑物和路面的正常使用造成重大的損失。為了減少由于地鐵施工引起的沉降影響，研究地表沉降規律已經成為工程領域十分熱門的課題。

2 工程概況

（1）工程地質概況

重慶地鐵太平沖站到唐棟橋車站區間隧道橫穿海爾路。該段為單洞雙線隧道，洞跨12.0m，采用鉆爆法施工，隧道埋深4～10m，隧頂中等風化基巖厚3.4～8.8m；隧道圍巖主要為砂巖及砂質泥巖。該段位于山體一側，受卸荷作用較強烈，巖體完整性較差，地下水為基巖裂隙水，水量較小。圍巖分級為V級。隧道圍巖壓力拱高6.12m，為淺埋隧道，成洞條件較差，隧頂中等風化基巖厚度小于2.5倍圍巖壓力拱高度，為淺埋隧道，成洞條件較差，進行超前支護。

（2）施工監測概況

根據監控量測要求，進行拱頂沉降、凈空收斂、地表沉降、臨近建筑物沉降的布點監測。拱頂沉降最大允許累計值20mm，凈空收斂最大允許累計值20mm，地表沉降和建筑物沉降最大允許累計值為20mm。

3 計算參數及模型

（1）模型建立

本次模型采用Midas-gts進行建模并計算。根據工程實際情況建立模型。定義土體和圍巖采用二維平面應變單元共分兩層，分別為填筑土和V級圍巖。隧道上方管棚加固區采用改變圍巖參數的方法進行模擬。初支噴射混凝土和鋼拱架采用一維梁單元進行模擬，錨桿采用植入式桁架進行模擬避免節點不耦合的情況。二襯采用平面單元模擬。

(2)邊界條件、荷載、施工過程

建模時考慮邊界效應影響，模型兩側邊界和底部邊界取3倍隧道直徑。上部邊界取實際地表面進行模擬。模型兩側采用水平固定支座，底部采用豎向固定支座，上表面為自由面。模型中荷載采用自重荷載,采用上下臺階法施工階段分為:a.初始應力場分析b.管棚支護c.上臺階開挖d.上臺階支護e.下臺階開挖 f.下臺階支護g.二襯支護

圖1 隧道網格劃分示意圖

（3)本構模型

本模型采用摩爾庫倫本構模型，利用摩爾庫倫準則判斷是否發生破壞。摩爾－庫倫準則的內容是:當土體的平面上受到的剪應力等于土體的抗剪強度時， 土體其中，c 為粘聚力為φ內摩擦角

(4) 計算參數

采用Midas-gts有限元軟件建立模型進行分析，模型的物理力學參數見下表1發生破壞; 其中任意平面上的抗剪強度為

表1 物理力學參數

4 計算結果分析

(1)地表沉降模擬與實際對比

由于隧道的施工開挖，使隧道上方的土體發生擾動。土體原來的平衡狀態破壞，發生了應力重分布的現象，使土體發生了位移。由隧道開挖完成二襯施工完成豎向位移Dy可以看出隧道地表沉降呈現正太分布的趨勢，隧道正上方的位移最大，達到了 6.76mm。隨著距離拱頂正上方距離的增加位移不斷地減少,在左右各15米處達到穩定，沉降為1.43mm。實測隧道正上方的地表沉降位移為7.95mm，左右15m處的沉降位移為1.76mm。由實測沉降量與模擬沉降量對比可以看出在隧道正上方右側12米處兩者相差最大為1.8mm。說明模擬沉降量與實際沉降量基本接近。本次模擬可以反映隧道開挖引起的地表沉降。

圖2 隧道開挖引起的地表沉降

(2)隧道拱頂沉降與凈空收斂

隧道拱頂與拱腰兩側發生最大位移變形，拱頂沉降為 9.54mm凈空收斂為13.70mm。在施工各階段中監測拱頂沉降最大值為11.27mm凈空收斂為12.66mm。與模擬沉降值對比，拱頂沉降在支護下臺階階段相差最大為 2.4mm，凈空收斂在開挖下臺階階段相差最大為 2.9mm。說明模擬與實測數據相差不大，本次模擬可以反映隧道內施工個階段的位移情況。

隧道的位移變化主要由四部分組成。第一部分是微小變形階段，是由于管棚加固后土體超前擾動引起的變形。第二部分是加速變形階段，這是土體的彈塑性變形。由于工作面的坍塌使隧道處于懸空狀態圍巖向隧道內部擠壓引起變形，這也是所有變形部分中最主要的部分。第三部分是減速變形階段，由于錨桿與噴射混凝土的使用，使圍巖發生收縮變形。第四部分是二襯的生成使隧道進一步的加固，讓隧道的位移趨于穩定。

圖3 隧道拱頂沉降與凈空收斂

(3)沉降的控制措施

有很多因素可以影響開挖引起的位移問題，如隧道的洞徑、埋深、開挖方式、地質條件、有無支護等。這些因素都會影響地表沉降與隧道位移。隧道的洞徑越大開挖引起的地層損失越多，那么產生的位移也會越大。隧道埋深越深時隧道上方土體會形成壓力拱反而會減小沉降量，然而隧道埋深很淺時隧道的開挖會對地表面的土體擾動很大，這樣地面的沉降會更大，嚴重的會使地面塌陷。對于重慶地鐵這樣的工程一般采用淺埋暗挖法施工，當遇到大斷面不良地質時盡量進行超前加固，用臺階法開挖時可選用弧形臺階法這種更加安全的方法。施工時為避免地表沉降和隧道位移過大要做到管超前、短進尺、弱爆破、強支護、早成環、勤量測的施工原則。對爆破嚴格控制藥量和開挖進尺也要嚴格控制，減少爆破和開挖引起的圍巖擾動和變形。二襯施工要及時的跟進確保施工的安全。

5 結論與建議

（1）利用有限元 midas-gts軟件對隧道的開挖施工階段進行模擬，可以比較真實的反映隧道開挖對地表沉降、隧道拱頂沉降、隧道凈空收斂的影響。所以在實際工程中可以使用軟件進行模擬開挖從而對施工安全提供預測和控制。

（2）因為這些年重慶地鐵的大力發展，所以需要大量重慶本地已有施工項目的監測數據和報告。同時為以后重慶地鐵類似的隧道工程提供更好的監控量測計劃與經驗。

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