城市淺埋隧道對(duì)地表沉降影響因素研究

李　強(qiáng)， 楊立志, 李忠友, 孫衡林, 汪　晟

(中國(guó)航空港建設(shè)第八工程總隊(duì)， 遼寧沈陽(yáng) 110021)

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城市淺埋隧道對(duì)地表沉降影響因素研究

李強(qiáng)， 楊立志, 李忠友, 孫衡林, 汪晟

(中國(guó)航空港建設(shè)第八工程總隊(duì)， 遼寧沈陽(yáng) 110021)

城市中隧道開(kāi)挖引起的地表沉降問(wèn)題受到了越來(lái)越多的關(guān)注，特別是淺埋隧道引起的地表沉降問(wèn)題尤為突出。文章利用有限元模擬的方法，對(duì)圍巖的力學(xué)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(duì)地表沉降的影響規(guī)律進(jìn)行了定性的分析，為實(shí)際工程提供參考。

淺埋隧道；地表沉降；影響因素；有限元

當(dāng)今，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)把對(duì)城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用作為解決城市人口、資源、環(huán)境3大危機(jī)的重要措施和實(shí)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(rèn)為:“19世紀(jì)是橋梁的世紀(jì)，20世紀(jì)是高層建筑的世紀(jì)，21世紀(jì)則是人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用地下空間的世紀(jì)”[1-2]。城市地下空間作為新型國(guó)土資源受到世界發(fā)達(dá)國(guó)家越來(lái)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(guò)街通道等，充分利用地下空間，減少人車(chē)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(duì)城市淺埋隧道的地面沉降的影響因素進(jìn)行研究具有一定的實(shí)際意義。

以往研究表明，隧道開(kāi)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(yīng)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(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱及方式。本文針對(duì)地下過(guò)街通道洞室圍巖的力學(xué)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(duì)地表沉降的影響規(guī)律進(jìn)行分析。

1　計(jì)算模型及參數(shù)

由于支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)洞室的變形有明顯的作用，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大時(shí)，可能導(dǎo)致洞室圍巖的力學(xué)參數(shù)、幾何尺寸和埋置深度等因素對(duì)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(duì)洞室引起地表沉降的影響規(guī)律，不考慮襯砌等支護(hù)措施的影響。而當(dāng)圍巖材料參數(shù)按照土體性質(zhì)來(lái)取，會(huì)導(dǎo)致無(wú)支護(hù)時(shí)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(duì)地表沉降的影響，對(duì)計(jì)算模型作如下簡(jiǎn)化處理：(1)圍巖材料選為巖石類(lèi)材料，巖石層厚28 m。(2)地下過(guò)街通道初始狀態(tài)寬6 m、高5 m。有限元計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖1所示，初始地應(yīng)力場(chǎng)引起的地層豎向位移如圖2所示。

圖1　有限元計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

圖2　初始地應(yīng)力場(chǎng)引起的地層豎向位移

圍巖初始力學(xué)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(lái)研究其對(duì)地表沉降的影響規(guī)律。洞室開(kāi)挖后引起的豎向和橫向位移見(jiàn)圖3和圖4所示。

圖3　洞室開(kāi)挖后地層豎向位移

圖4　洞室開(kāi)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(xué)參數(shù)對(duì)地表沉降的影響

2.1.1彈性模量對(duì)地表沉降的影響

為研究圍巖彈性模量對(duì)地表沉降的影響，在保持其他材料力學(xué)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(jìn)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(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)材料的彈性模量相對(duì)較小時(shí)對(duì)地表沉降影響較大，隨著彈性模量的增加，其對(duì)地表沉降的影響卻隨之降低。洞室開(kāi)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(duì)地表沉降的影響

2.1.2泊松比對(duì)地表沉降的影響

為研究圍巖泊松比對(duì)地表沉降的影響，在保持其他材料力學(xué)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(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)泊松比為0時(shí)，洞室開(kāi)挖引起的地層沉降量最大，特別是隨著泊松比的增大，周?chē)乇淼某两抵饾u增大，距隧道中心點(diǎn)30 m處的地表沉降與隧道中心點(diǎn)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(duì)地表沉降的影響

圖7　洞室寬度對(duì)地表沉降的影響

2.2地下通道寬度對(duì)地表沉降的影響

在保證地下過(guò)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(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。從計(jì)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(kāi)挖主要對(duì)其上方地表沉降影響較大，對(duì)兩側(cè)影響相對(duì)較小。

2.3埋置深度對(duì)地表沉降的影響

在保證地下過(guò)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(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。從計(jì)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(duì)地表沉降的影響

3　結(jié)論

本文對(duì)地下過(guò)街通道洞室圍巖的力學(xué)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(duì)地表沉降的影響規(guī)律進(jìn)行分析。分析表明：

(1)隨著彈性模量的增加，其對(duì)地表沉降的影響卻隨之降低。洞室開(kāi)挖引起的地表反拱隨彈性模量的增大而減小。當(dāng)泊松比在0.2～0.3之間時(shí)，洞室開(kāi)挖引起的地表沉降量最大，特別是隨著泊松比的增大，周?chē)乇淼某两抵饾u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(kāi)挖主要對(duì)其上方地表沉降影響較大，對(duì)兩側(cè)影響相對(duì)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(qián)七虎.迎接我國(guó)城市地下空間開(kāi)始高潮[J].巖土工程學(xué)報(bào)，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(gè)問(wèn)題[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18(1):109-111.

李強(qiáng)，男，本科，高級(jí)工程師，從事機(jī)場(chǎng)施工技術(shù)研究；楊立志(1974～),男，工程師，從事機(jī)場(chǎng)工程施工技術(shù)研究。

U456.1

A

[定稿日期]2016-03-15