地鐵淺埋暗挖通道施工對地表沉降影響的數值模擬分析

涂美吉

（浙江數智交院科技股份有限公司，浙江杭州 310031）

1 研究背景

隨著城市的快速發展，各大城市軌道交通網絡越來越密集。在工程實際施工過程中，往往會由于受周邊建（構）筑物（如市政管線、已建地鐵車站及區間隧道等）的限制，新建地鐵車站及其出入口通道在覆土較淺的情況下，需采用淺埋暗挖法施工，該工法施工風險以及對地表沉降的影響均較大。

針對淺埋暗挖通道施工引起的地表沉降，國內外學者已進行較多的研究[1]，其中較常用的預測方法為經驗公式法[2]和數值分析法[3]。Peck[4]提出地面沉降槽呈擬正態分布，后來國內外不少學者對該經驗公式進行了改進；吳鋒波等[5]根據大量的盾構法和礦山法隧道在不同土層中橫向沉降槽資料，對Peck公式的擬合參數進行統計分析，得出地層損失率和寬度參數的分布形態、相關統計值以及與隧道相對埋深的相關性；陶永虎等[6]通過建立地鐵區間隧道下穿火車站的FLAC3D分析模型，研究了下穿區段路基沉降變化規律及暗挖區間隧道襯砌結構內力、安全系數等；周智等[7]依托某超淺埋暗挖矩形大斷面地下通道工程，應用現場實測與數值模擬相結合的方法，深入研究了地下通道施工過程中地表橫、縱斷面沉降發展規律。

針對暗挖施工中不同施工工法對地表沉降的影響，國內外學者也已進行了較多的研究[8-9]。張恒等[10]通過運用FLAC3D有限差分軟件，對淺埋暗挖特大斷面地鐵車站施工工法進行了數值分析。劉佳杰等[11]針對非對稱地下管廊暗挖穿越粉細砂地層的特殊情況，建立不同施工工法的三維有限元數值模型，從地表沉降、拱頂沉降、水平收斂等3個變形參數對不同施工工法進行了對比研究。

本文以深圳地鐵10號線崗廈站出入口暗挖通道為背景，結合深圳地鐵暗挖施工經驗[12]，通過建立模擬通道實際施工工法的三維有限元模型，對地表沉降的數值模擬計算結果、經驗計算公式結果與現場實際監測數據進行對比分析，以此來驗證數值模擬計算和經驗公式計算的合理有效性；分析對比上下臺階法、中隔壁法（CD法）和交叉中隔壁法（CRD法）3種工法在考慮全斷面注漿加固的情況下暗挖施工引起的地表沉降，以及每種工法分別在全斷面注漿加固與不加固的情況下引起的地表沉降，以此來驗證本通道選擇全斷面注漿加固和CRD法的合理性。

2 工程概況

深圳地鐵10號線崗廈站位于福華路與彩田路交叉口南側，車站位于彩田路下，沿彩田路南北向布置，與既有1號線崗廈站形成T字型通道換乘。全站共設置4 個出入口和2個風亭組，其中C號出入口位于福華路與彩田路交叉口西南側沿東西向布置，并與既有1號線崗廈站C號出入口連通合建。

新建10號線崗廈站C號出入口由于其上方管線眾多，且均為大直徑重力流管線，現場無改遷路由，故該出入口東側與管線交叉部分擬采用暗挖法施工，長度約為20 m，西側與既有1號線崗廈站C號出入口連通部分采用明挖法施工，長度約為17 m。

由于本出入口頂板覆土較淺，且均為填土，暗挖段采用全斷面注漿加固，加固范圍為初支外擴3 m，注漿加固沿出入口暗挖掘進方向每8 m為1循環，且形成2 m的止漿盤。超前支護采用φ108 mm、壁厚8 mm的無縫鋼管大管棚+φ42 mm、壁厚3.5 mm超前小導管。初支采用φ25 mm@500 mm格柵鋼架+300 mm厚C25噴射早強混凝土，鎖腳錨管采用φ42 mm、壁厚3.5 mm無縫鋼管，二襯采用600 mm厚C35、P8模筑混凝土。

3 暗挖通道施工有限元模型及驗證

3.1 有限元模型及參數選取

考慮本地鐵出入口通道采用全斷面注漿加固條件下的CRD法進行施工以及開挖對土體的擾動及其影響范圍，本文三維有限元數值模型尺寸取為60 m（x）×20 m（y）×30 m（z），地表為自由面，底部固定，四周側面限制其法向位移，有限元模型見圖1。土體本構模型選用摩爾-庫倫模型，土體物理力學參數見表1。初支及二襯采用線彈性模型，混凝土強度等級分別為C25、C35，彈性模量取2.8×104MPa、3.15×104MPa，泊松比取0.2。為考慮出入口通道周圍全斷面注漿等作用的影響，在通道周圍設置等效層進行模擬，根據現場試驗，等效層重度取22.5 kN/m3，彈性模量取1.0×104MPa，泊松比為0.2。

圖1 出入口通道暗挖施工三維有限元數值模型

表1 土體物理力學參數

通道全斷面注漿加固通過有限元軟件中的相應土體加固單元在加固階段中邊界條件的修改（即參數的修改）予以實現，暗挖施工過程模擬可以將通道暗挖向前掘進作為一個跳躍式非連續過程來研究，在本文有限元數值模擬中采用鈍化相應的土體單元以及激活相應的襯砌、中間支撐單元的方法予以實現，通道暗挖開挖步長取鋼格柵榀間距0.5 m。

3.2 模型驗證

為驗證有限元模型對出入口通道淺埋暗挖施工過程中地表沉降模擬分析的有效性，本文對Peck公式計算地表沉降、現場實測地表沉降與有限元模擬地表沉降結果進行對比分析，驗證有限元模型的有效性。Peck地表沉降計算公式為：

式（1）～式（3）中，S（x）為距暗挖通道中心軸線x處的地表沉降；Smax為暗挖通道軸線上方地表最大沉降量；i為地表沉降槽寬度，即沉降曲線曲率反彎點與中心的距離；Vl為暗挖通道單位長度的地層損失量；為土體內摩擦角加權平均值；Z0為暗挖通道中心埋深。

圖2給出了地表沉降Peck公式計算結果、現場實測結果與有限元模擬地表沉降結果的對比分析曲線，由圖2可知，有限元數值模擬結果與Peck公式、現場實測地表沉降數據較好吻合；地表沉降最大值均發生在通道中心軸線上方，其中Peck公式計算地表沉降最大值為17.69 mm，有限元模擬計算地表沉降最大值為19.02 mm，現場實測地表沉降最大值為20.66 mm。對比分析表明，有限元模型能合理有效地模擬出入口通道暗挖施工引起的地表沉降。

圖2 有限元模擬地表沉降對比分析曲線

4 不同工法施工引起的地表沉降分析

實際施工中地表沉降的影響因素較多，如通道埋深、土層性質、施工工法等。由于本出入口通道為淺埋暗挖施工，本文基于經前文驗證的有限元模型，模擬不同工法在全斷面注漿加固條件下施工對地表沉降的影響，并與現場實際監測地表沉降數據對比，其計算結果如圖3所示。考慮全斷面注漿加固對地表沉降的影響，數值模擬計算中對每種工法在全斷面注漿加固與不加固條件下的地表沉降進行對比分析，其計算結果如圖4～圖6所示。

圖4 上下臺階法全斷面注漿加固與不加固地表沉降對比曲線

圖6 CRD法全斷面注漿加固與不加固地表沉降對比曲線

（1）圖3給出了模擬3種不同工法施工引起的地表沉降及現場實際監測沉降數據的對比曲線。由圖3可知，有限元數值模擬計算中，上下臺階法地表沉降最大值為30.69 mm，CD法地表沉降最大值為22.86 mm，CRD法地表沉降最大值為19.02 mm，現場實測地表沉降最大值為20.66 mm。以上數據表明，CRD法施工引起的地表沉降小于上下臺階法及CD法施工引起的地表沉降，且與現場實測地表沉降數據吻合較好。因此，本出入口通道在覆土較淺且采用暗挖施工的條件下，應首選CRD法施工。

圖3 3種不同工法施工引起的地表沉降對比曲線

圖5 CD法全斷面注漿加固與不加固地表沉降對比曲線

（2）圖4～圖6分別給出了上下臺階法、CD法及CRD法3種工法在全斷面注漿加固與不加固條件下地表沉降對比曲線。由圖4～圖6可知，三維有限元數值模擬計算中，上下臺階法在未采用全斷面注漿加固的條件下地表沉降最大值為46.04 mm，采用全斷面注漿加固的條件下地表沉降最大值為30.69 mm；CD法在未采用全斷面注漿加固的條件下地表沉降最大值為32.01 mm，采用全斷面注漿加固的條件下地表沉降最大值為22.86 mm；CRD法在未采用全斷面注漿加固的條件下地表沉降最大值為23.78 mm，采用全斷面注漿加固的條件下地表沉降最大值為19.02 mm。以上數據表明，3種不同的施工工法中全斷面注漿加固對地表沉降均有較大的影響，其中上下臺階法影響最大，CD法次之，CRD法影響最小。因此，本出入口通道采用CRD法淺埋暗挖施工時，為更好地控制地表沉降，應預先采用全斷面注漿對通道周邊土體進行加固。

5 結論及建議

（1）三維有限元數值模擬計算中，CRD法施工引起的地表沉降小于上下臺階法及CD法施工引起的地表沉降，且與現場實測地表沉降數據吻合較好。因此，本出入口通道在覆土較淺且采用暗挖的條件下，為更好地控制地表沉降，應首選CRD法施工。

（2）3種不同的施工工法中，全斷面注漿加固對地表沉降均有較大的影響，其中上下臺階法影響最大，CD法次之，CRD法影響最小。因此，本出入口通道采用CRD法進行淺埋暗挖施工時，為更好地控制地表沉降，應預先采用全斷面注漿對通道周邊土體進行加固。