地鐵隧道施工對地表沉降影響的優化控制探究

李卓

（中鐵二十局第三工程有限公司，重慶 400065）

地鐵建設是21世紀城市地下空間開發的重點，其是緩解我國“城市綜合征”的有效辦法之一。地鐵隧道工程施工是在巖土體內部進行的，不管其埋深時大時小，開挖施工一定會擾動地下巖土體，使其喪失初有的平衡狀態，而朝著新的平衡狀態轉變。隧道開挖階段，因地層物質被挖出，很容易形成施工沉降槽，其很容易引起地面沉降與塌陷問題，進而對道路路面、建筑物等造成不同程度的損傷，不利于工程建設，甚至對人們生命財產安全構成威脅。

1 隧道施工引起地表沉降的機理

從本質上分析，隧道挖掘的環境土層介質屬于非連續介質，等同于土層處于移動狀態中，存留在介質內的連貫性會被破壞，且不同單元之間初有的關聯性也會發生一定改變，單元分離而運動。在含水地層內開展隧道施工活動，但土顆粒骨架間的水分逐漸被排出時，將會使土體內空隙水壓力出現改變，地層會由于出現排水固結而有地表沉降的表現,業內針對這種地層因孔隙水壓力波動與滲透力作用而出現的地面沉降問題，將其統一叫作固結地表沉降,其主要是因含水層內地下水位下降,土層內液壓跌落，形成粒間應力，即有效應力增加的結果。隧道開挖階段巖土體擾動以后，在較長的一段時間內，土體骨架會發生一定壓縮變形，土體蠕變階段形成的地表沉降問題被叫作次固結沉降。既往有研究發現，在空隙比與靈敏度相對較高的軟塑于流塑性黏土內,次固結沉降通常會持續數年之久,通過分析經典地層的長期觀測材料,其在總沉降量中所占比重高于35%。

2 編制動態優化控制策略

可以將地鐵隧道項目開挖過程看成一個多階段構成的決策問題，動態規劃原理能較好地應對該類優化問題。假設某地鐵隧道工程施工的初步設計方案是：{G0(1)、G0(2)、…G0(k)，…，G0(N)}，參照動態規劃最優化原理,將最后一個步驟作為著手點優化初有施工方案。

2.1 方案設計

（1）最后一步驟。設εN是最后可以接受的環境目標限定值，通常其取值是0.1，對工程施工方案G0(N)進行數次整改后，有①式：

2.2 施工階段

參照如上論述的方案，在地鐵隧道項目有具體施工階段，實測到的地表沉降值可能和預測值之間存在一定偏差，這就很可能造成初有的優化控制方案不滿足現實環境要求。因此，在施工階段，若能依照現場反饋的信息，盡早整改初由優化施工方案后期的施工技術方法，方能更好地實現動態優化控制，如果已經第k階段施工結束后，在工程場區測量得到的現實地表沉降最大值是W’（k）,采用動態規劃原理對隧道施工方案的第k+1步到最末一步進行調整。具體采用的優化控制方法和設計時段等同，唯一的不同是新方案的最末一步是原來的第k+1步，因第i步實測值和預測值間存在一定差異，那么，在這樣的工況下第k+1步滯后各步的狀態均會出現不同程度變化，遞推關系式如下：

3 工程實踐

已知某三連拱隧道工程處于地表之下16.6m,從上至下可地層細化為五層。因地表建筑物聳立且密集化分布,地下管線部署錯綜復雜,因此，隧道施工對周邊環境提出較嚴格的要求，地表沉降最大值≤30mm。外加本隧道工程跨度相對較大（20m左右），圍巖條件整體偏差,施工開挖時不僅要確保圍巖結構的相對穩定性,還要滿足周邊環境提出的高標準、高要求。綜合分析多種因素，擬定選擇最優的施工方案及策略，這是取得最理想化施工成效的重要基礎。在項目正式開工前，制定了圖1所示的備選建設方案，能夠推導出與之相對應的方案相應矩陣是：

{G0(i，k)，i=1～3,k=1～11}

式中，i為施工方案，k為施工工序。為滿足終極控制目標W*，先在圖1響應矩陣G(i,k)內,基于數值仿真模擬并參照工期T＊、造價V＊,采用如下目標函數實現對施工方案的優化處理：Ji=CW[W*-W(i)]+CT[T＊-T(i)]+CV[V＊-V(i)]

式中，CW、CT、CV均是加權值，經比對分析后，最后選用了方案1，把G(1,k)作為本項目的建設方案，并勾畫方案1的響應矩陣。

圖1 備選建設方案圖示

結合地表沉降機理及動態最優控制策略，從本項目施工最末一步開始，針對本施工方案的響應矩陣，依照有限元仿真模擬測算過程檢索到工程施工策略取得的成效。有限元測算后，能協助施工方掌握方案1的最優控制方法集。

本課題研究選用ANSYS有限元軟件輔助進行，通過彈塑性有限元的數次測算并持續整改工程施工方法，進而取得相對理想化的環境控制效果，最后確定了最優控制方法集（見表1）。施工完畢后，場區地表沉降曲線圖示見圖2。

表1 地表沉降最優控制方法集

圖2 地表沉降曲線圖示

4 結語

本文較為詳細得介紹了動態最后控制策略方法，在地鐵隧道施工階段積極采用該種方法能把整體環境控制目標實現階段化，規避挖掘施工的盲目性，有規劃地降低工程風險。結合地鐵隧道工程案例的分析結果，認定本課題所提及的動態優化控制方法在理論上是可行的，在實踐中也是可以實現的，具有較高的推廣價值。