城市地鐵施工誘發地表沉降及影響因素數值分析

摘要：文章以西南某地區地鐵工程為例，采用有限元軟件MIDAS/GTS建立數值分析模型，將數值模擬結果與實測數據進行對比，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律。結果表明：地表沉降數值模擬結果與實測數據基本吻合，隧道拱頂、拱腰和拱頂正上方地表處的實測最大值與數值模擬值誤差均在10%以內，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更為優越;采用雙側壁導坑法和保留核心土臺階法能有效控制地表沉降，且采用雙側壁導坑法時效果最優;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。

關鍵詞：隧道工程;數值模擬;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研究，主要有：吳賢國、陳華等人[1-2]主要研究土體的內摩擦角、內聚力等多個指標對地表沉降的影響，并分析了地鐵盾構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]結合西安地鐵進行了探討，采用FLAC3D對盾構推進過程進行了模擬，分析了隧道縱向沉降分布規律、黃土特性對盾構法施工中地表沉降的影響，得出了黃土地區地表沉降的一般規律;洪源等人[5]采用FLAC3D對深圳某地鐵線隧道盾構施工進行數值模擬，分析了不同施工階段的地表變形及其影響因素，分析結果表明隨著盾構掘進的推進，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有限元軟件對盾構隧道動態開挖過程進行數值模擬，并考慮了土體的分層特性、土體材料的本構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點荷載釋放系數法。

本文主要以西南某地區地鐵工程為例，采用有限元軟件MIDAS/GTS建立數值分析模型，并將數值模擬結果與實測數據進行對比，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律，研究結果和相關結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區間采用暗挖法施工，全長1 704 m，下穿主城區繁華的步行街道，地表交通四通八達，地下管線、污水管道錯綜復雜。該區間內隧道設計埋深12～17 m，整體呈現出南高北低的地勢。在該區段內，主要以雜填土、黃土、黏土以及粉質黏土為主，其中隧道下穿區域以黃土和黏土為主。工程區內無地表水存在，地下水埋深在16.5～21.5 m范圍內。隧道按照雙側壁導坑法施工。圖1為隧道斷面示意圖，隧道最大內徑為5.8 m，襯砌厚度為60 cm。

2 數值建模

如圖2（a）所示，為采用有限元軟件MIDAS/GTS建立的數值分析模型。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。土體本構模型采用摩爾庫倫本構模型。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。

3 數值模擬結果分析

3.1 數值模擬結果與現場實測結果對比分析

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

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左右逐漸趨于穩定。對比三者可知，地表最大沉降大于隧道內壁拱頂沉降，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值模擬值，三者誤差均在10%以內，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，已經有些許沉降，這與掌子面處的土體已經受擾動有關。隨著隧道不斷往前推進，拱頂和地表沉降緩慢趨于穩定。對于工況一，拱頂和地表穩定后沉降分別為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更為優越。

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越性，本節將雙側壁導坑法、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，且采用雙側壁導坑法時效果最優。

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為12.1 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 結語

本文以西南某地區地鐵工程為例，采用有限元軟件MIDAS/GTS建立了數值分析模型，并將數值模擬結果與實測數據進行了對比，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律，具體結論如下：

（1）地表沉降數值模擬結果與實測數據基本吻合，隧道正上方地表處實測沉降值為17.8 mm，數值模擬結果最大值為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值模擬值誤差均在10%以內，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更為優越。

（3）相對于全斷面法，采用雙側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，且采用雙側壁導坑法時效果最優。

（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.地鐵盾構施工誘發地表沉降關鍵影響因素分析[J].土木建筑與環境工程，2015，37（2）：8-15.

[2]陳 華.對地鐵盾構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.西安地鐵盾構施工引起地表沉降規律分析[J].甘肅科學學報，2010，22（3）：149-152.

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

[5]洪 源.盾構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.盾構法隧道施工引起地表變形分析[J].低溫建筑技術，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、經濟師，主要從事鐵路、市政、公路等基礎設施工程的管理工作。