不同隧道埋深對地層變形的影響研究

邵 葳 于宏福

(北京城建設計發展集團股份有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110086)

1 概述

隨著當今社會的快速發展，給各大城市的交通造成了極大負擔，為了減緩交通擁堵的難題，地鐵順應時代的潮流應運而生。然而，地鐵隧道多用于暗挖施工，勢必給地面變形造成影響，其中隧道的埋深是隧道開挖引起地表沉降的重要因素之一[1，2。因此，針對不同土層的不同隧道埋深下，研究隧道開挖對地表沉降的影響尤為重要，對工程事故的預防意義重大。

針對不同隧道埋深，很多學者已經進行了大量研究。李曉嬌等[3]通過FLAC3D對粉質粉砂、黏土等土層的隧道開挖進行了數值模擬，研究不同地層中地表沉降隨埋深的變化規律以及不同土層中同一埋深下地表沉降槽曲線的變化規律。胡學兵等[4]對不同跨度和埋深的隧道施工進行數值分析，探討了不同埋深和跨度對隧道結構穩定性的影響，并提出了隧道深埋和淺埋的判斷標準。李倩倩等[5]通過現場實測和數值軟件，基于北京地鐵某區間隧道開挖后，對不同埋深下的地層變形、地層應力以及塑性區分布等方面進行研究。馬險峰等[6]利用離心模型試驗對盾構隧道的地層損失進行分析，研究地層損失與施工期及工后地表沉降的關系。毛峰等[7]采用數值軟件，分析隧道不同埋深時，地表處的土側壓力系數和圍巖變形的規律。

但對于不同隧道埋深開挖引起的地表變形研究較少，本文以某地鐵區間隧道為依托，采用有限元Midas-NX建立三維模型，研究不同覆土厚度對地層變形的影響研究，為后續的施工提供依據。

2 數值模型的建立

2.1 單元類型及材料參數

隧道的支護結構選取彈性材料，初期支護采用板單元模擬，二襯結構采用修改單元屬性的計算模塊，通過設定特有邊界修改單元屬性。鎖腳錨桿選用圓形截面的植入式桁架單元進行模擬，并且按照設計注漿錨桿進行軸向剛度等效。

2.2 計算模型

考慮到隧道開挖時對四周的影響范圍，有限元模型的水平尺寸取4倍的開挖寬度，豎向長度取隧道底部向下3倍的洞徑。有限元模型的尺寸為72 m×35 m×30 m。

有限元模型的左右兩側僅施加法向約束，底面施加水平和豎向的約束，上表面定義為自由邊界，土體材料采用修正的摩爾—庫侖。有限元模型見圖1。

3 結果分析

為研究隧道埋深變化對地層變形的影響，共設計了4種不同的隧道埋深方案，分別取3 m,6 m,12 m和24 m。以便得到在相同隧道支護條件和土層條件的情況下，隧道在超淺埋、淺埋和深埋條件下地層變形規律。

為排除不同隧道周邊土層變化的影響，將隧道底部以上的土層材料參數均統一為粉質黏土層。

雙隧道開挖不同隧道埋深下地表的變形規律見圖2。由圖2可知，當隧道埋深為3 m時，地表沉降的最大值為7.4 mm，出現在左線隧道的頂部上方位置，地表沉降曲線形態呈現較為顯著的雙峰曲線。隨著隧道埋深的增大，地表沉降的變形形態逐漸由雙峰形式轉變為單峰形式。由此可見，隧道埋深越大，隧道間土體受擾動越明顯，隧道上方土體變形的疊加程度越顯著。從圖2可知，隨著隧道埋深逐漸增加，隧道上方的地表沉降值也隨之增加。分析主要原因為：1)由于模型中采用土層參數為粉質黏土的力學參數，土質較為松軟，隧道頂部不易形成壓力拱；2)雙隧道開挖相對于單個隧道而言，開挖擾動區域較大，這就造成了被擾動區域內的土體不易產生壓力拱的自穩結構，上覆土壓力隨著埋深增大而增大，造成隧道變形增加。

地表沉降實際是由隧道開挖后，拱頂沉降變形傳遞到地表而引起的，而地層變形傳播率(地表沉降/拱頂沉降)是反映地層變形傳遞規律的主要指標。可以發現隨著隧道埋置深度的增加，地層變形傳播率逐步減小，隧道開挖的影響向地表傳播的程度越來越小。

4 結語

論文采用Midas-NX建立三維有限元模型，研究不同埋深和厚度對地層變形的影響，得出隨著隧道埋深的增大，雙隧道開挖引起的土層變形也隨之增大，主要是由于雙隧道開挖將引起更大面積的土體擾動，難以形成上覆土拱效應，上覆土壓力隨隧道埋深的增加而增大，進而造成地表沉降的增大。

[1] 韓健勇,趙 文,關永平,等.地鐵車站洞樁法開挖變形規律分析[J].應用力學學報,2015,32(4):623-629.

[2] 晏 莉.盾構法雙管隧道施工引起的地表沉降預測及特征分析[J].隧道建設，2015，35(5)：419-427.

[3] 李曉嬌，歐陽煜.不同土質中隧道埋深對地表沉降的影響[J].佳木斯大學學報(自然科學版)，2015，33(2)：202-206.

[4] 胡學兵，喬玉英．埋深和跨度對隧道結構穩定性影響的數值模擬研究[J].公路隧道，2005(2):5-9.

[5] 李倩倩，張頂立，張成平，等．不同埋深下暗挖隧道施工的地層響應[J].北京交通大學學報，2013，37(1):27-33.

[6] 馬險峰，王俊淞，李削云，等．盾構隧道引起地層損失和地表沉降的離心模型試驗研究[J].巖土工程學報，2012，34(5):942-947.

[7] 毛 峰.黃土隧道深淺埋分界方法研究[D.西安:西安理工大學，2007.