淺埋黃土隧道開(kāi)挖變形分析及預(yù)測(cè)

楊衛(wèi) 蔣開(kāi)玥

前言：由于中國(guó)地鐵的高速發(fā)展，很多城市開(kāi)始修建地鐵，地鐵的修建為人類(lèi)拓展了地下空間，帶來(lái)了交通的便利。黃土隧道暗挖需要考慮的是地層產(chǎn)生的沉降，如何在開(kāi)挖過(guò)程中控制好沉降是需要我們解決的主要問(wèn)題。以蘭州軌道交通為工程背景，借助Midas-GTS-NX有限元軟件進(jìn)行建模計(jì)算，分析在黃土中使用暗挖法進(jìn)行開(kāi)挖，模擬計(jì)算開(kāi)挖過(guò)程最大沉降區(qū)域以及最大沉降量;運(yùn)用PECK公式，利用工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制地表沉降槽橫向沉降過(guò)程圖，掌握對(duì)隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的沉降量的預(yù)測(cè)，通過(guò)PECK公式算出了蘭州黃土地層淺埋暗挖法施工時(shí)，地層損失率數(shù)值約為2.55%。

關(guān)鍵詞：黃土隧道;有限元;暗挖法;沉降預(yù)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：U459.1

0? 引? 言

根據(jù)以前的施工來(lái)看，目前黃土隧道暗挖需要考慮的就是地層產(chǎn)生的沉降，沉降是不可避免的，在城市中這種現(xiàn)象特別嚴(yán)重，如何在開(kāi)挖過(guò)程中控制好沉降是需要我們解決的。馬禧祥等人[1]為了提高在黃土土質(zhì)條件下隧道施工的穩(wěn)定性，進(jìn)一步改良施工措施，對(duì)黃土地鐵隧道施工的變形規(guī)律進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)隧道施工過(guò)程中如何控制地表沉降進(jìn)行了探討。陳朝陽(yáng)等人[2]運(yùn)用FLAC3D的interface單元，通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究隧道洞身穿越巖土分界的變形和受力規(guī)律，確定施工變形控制措施。劉旭全[3]等人以西安地鐵5號(hào)線(xiàn)為依托通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究分析既有隧道變形規(guī)律，得出地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)動(dòng)態(tài)取值范圍并提出隧道變形控制措施。霍潤(rùn)科[4]等人對(duì)富水黃土隧道地表沉降、洞周土體變形及力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了研究，得出地表沉降以及洞周土體變形的變化規(guī)律。李龍福[5]等人通過(guò)Madis GTS/NX軟件探討了淺埋沖溝段黃土暗挖隧道地層變形破壞模式。于介[6]以黃土塬區(qū)淺埋大斷面隧道工程為實(shí)例，基于三維地質(zhì)仿真模型方法通過(guò)分析支護(hù)受力和變形，來(lái)改良黃土的結(jié)構(gòu)性能，降低隧道掘進(jìn)過(guò)程中的地表沉降量。楊波[7]等人以敖包溝隧道工程為例，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法對(duì)黃土隧道的變形規(guī)律及隧道出口段預(yù)留變形量合理取值范圍進(jìn)行了分析研究，從而指導(dǎo)隧道施工降低地表沉降。

由于黃土的性質(zhì)，給在黃土區(qū)修建鐵路帶來(lái)了很多麻煩，施工中需要解決很多由黃土產(chǎn)生的問(wèn)題。因此，針對(duì)淺埋黃土隧道開(kāi)挖變形數(shù)值模擬及預(yù)測(cè)技術(shù)展開(kāi)研究，掌握黃土沉降變化規(guī)律，為淺埋黃土隧道的施工提供指導(dǎo)。

1? 三維數(shù)值計(jì)算參數(shù)及模型建立

1.1 計(jì)算參數(shù)

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，隧道圍巖參數(shù)如表1所示。

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

1.2 模型建立

隧道開(kāi)挖以二臺(tái)階法為例。將10米長(zhǎng)的隧道平均分成了5份，設(shè)定先開(kāi)挖上臺(tái)階然后及時(shí)支護(hù)，接著開(kāi)挖下臺(tái)階并及時(shí)支護(hù)，以此往后。詳細(xì)步驟是：

第一步為開(kāi)挖上臺(tái)階至2米處，接著噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)。

第二步為開(kāi)挖下臺(tái)階至2米處，接著噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)。

第三步為開(kāi)挖上臺(tái)階至4米處，接著噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)。

第四步為開(kāi)挖上臺(tái)階至6米處，接著噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)。

第五步為開(kāi)挖下臺(tái)階至6米處，接著噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)。

第六步為開(kāi)挖上臺(tái)階至8米處，接著噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)。

第七步為開(kāi)挖下臺(tái)階至8米處，接著噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)。

第九步為開(kāi)挖下臺(tái)階至10米處，接著噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)。

第十步為開(kāi)挖下臺(tái)階至10米處，接著噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)。施工模擬圖見(jiàn)圖1所示。

2? 結(jié)算結(jié)果與分析

2.1 二臺(tái)階1米開(kāi)挖

在1米開(kāi)挖的情況下，分析其沉降量隨著施工步驟的變化。通過(guò)表3和圖7可以看出，沉降量較大的是拱頂節(jié)點(diǎn)和上土層節(jié)點(diǎn)，拱頂節(jié)點(diǎn)，上土層節(jié)點(diǎn)和拱身位置的節(jié)點(diǎn)都隨著施工的過(guò)程，沉降量在不斷的增加，但是增加量在減小。其中，拱頂?shù)某两盗孔罱K達(dá)到了27毫米，上土層節(jié)點(diǎn)沉降量最終達(dá)到了18毫米，隧道底部的節(jié)點(diǎn)沉降量無(wú)明顯的變化。

2.2 二臺(tái)階2米開(kāi)挖

在2米開(kāi)挖的情況下，現(xiàn)在單獨(dú)取出與1米開(kāi)挖時(shí)相同的節(jié)點(diǎn)，分析其沉降量隨著施工步驟的變化。通過(guò)表4圖12可以看出，沉降量較大的是拱頂節(jié)點(diǎn)和上土層節(jié)點(diǎn)，拱頂節(jié)點(diǎn)，上土層節(jié)點(diǎn)和拱身位置的節(jié)點(diǎn)都隨著施工的過(guò)程，沉降量在不斷的增加，但是增加量在減小。其中，拱頂處的沉降量最終達(dá)到了26毫米，上土層節(jié)點(diǎn)的沉降量最終達(dá)到了17毫米，隧道底部的節(jié)點(diǎn)沉降量無(wú)明顯的變化。

2.3 二臺(tái)階5米開(kāi)挖

在5米開(kāi)挖的情況下，現(xiàn)在單獨(dú)取出與之前相同節(jié)點(diǎn)，分析其沉降量隨著施工步驟的變化。通過(guò)表5圖16可以看出，沉降量較大的是拱頂節(jié)點(diǎn)和上土層節(jié)點(diǎn)，拱頂節(jié)點(diǎn)，上土層節(jié)點(diǎn)和拱身位置的節(jié)點(diǎn)都隨著施工的過(guò)程，沉降量在不斷的增加，但是增加量在減小。其中，拱頂處的沉降量最終達(dá)到了26毫米，上土層節(jié)點(diǎn)沉降量最終達(dá)到了17毫米，隧道底部的節(jié)點(diǎn)沉降量無(wú)明顯的變化。

3? 地表沉降預(yù)測(cè)

3.1 地表沉降槽分析

地鐵區(qū)間隧道一般為并行雙線(xiàn)隧道，而在實(shí)際施工過(guò)程中為了消除左右隧道的相互影響，通常采用分段施工，即左線(xiàn)超前于右線(xiàn)一段距離進(jìn)行施工，或是右線(xiàn)超前于左線(xiàn)一段距離。由于隧道的開(kāi)挖而引起的地表沉降，無(wú)論是沉降的深度、寬度又或是地表沉降相對(duì)于隧道軸線(xiàn)的位置，其地表沉降都是一個(gè)緩慢發(fā)展的過(guò)程。

第一階段，假設(shè)左線(xiàn)超前于右線(xiàn)一段距離進(jìn)行施工，剛開(kāi)始右線(xiàn)隧道離觀(guān)測(cè)斷面道距離較遠(yuǎn)，左線(xiàn)隧道的開(kāi)挖對(duì)觀(guān)測(cè)斷面逐漸產(chǎn)生影響。如圖17（a）圖所示。

第二階段，隧道左線(xiàn)開(kāi)挖至觀(guān)測(cè)斷面，隧道右線(xiàn)開(kāi)挖也逐漸對(duì)沉降觀(guān)測(cè)斷面產(chǎn)生影響。這個(gè)階段，地表沉降作用進(jìn)一步加劇，沉降觀(guān)測(cè)點(diǎn)在左、右隧道開(kāi)挖作用的共同影響下，沉降槽逐漸變寬、變深。如圖17（b）圖所示。

第三階段，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的施工，左線(xiàn)隧道開(kāi)挖已經(jīng)過(guò)觀(guān)測(cè)斷面-D，右線(xiàn)隧道則開(kāi)挖至距離觀(guān)測(cè)斷面3.5D處。這個(gè)階段，右線(xiàn)隧道的開(kāi)挖是對(duì)觀(guān)測(cè)斷面產(chǎn)生影響的主要因素，從而導(dǎo)致在這一過(guò)程中沉降槽中心開(kāi)始出現(xiàn)了明顯的橫向變形，如圖18（a）圖所示。

第四階段，隨著施工的進(jìn)行，左線(xiàn)隧道掌子面距離觀(guān)測(cè)斷面較遠(yuǎn)，右線(xiàn)隧道正好開(kāi)挖至觀(guān)測(cè)斷面。這個(gè)階段，右線(xiàn)隧道的開(kāi)挖仍是對(duì)觀(guān)測(cè)斷面產(chǎn)生影響的主要因素而左線(xiàn)隧道的開(kāi)挖影響基本可以忽略。整個(gè)過(guò)程中，沉降槽中心的橫線(xiàn)位移更為劇烈，位置由左側(cè)距離兩條隧道中線(xiàn)4m左右位置逐漸靠近雙線(xiàn)的中心線(xiàn)，其后，從兩條隧道中線(xiàn)位置橫線(xiàn)移動(dòng)至右側(cè)距離兩條隧道中線(xiàn)4m左右位置。并且地表沉降的寬度、深度也進(jìn)一步加大。如圖18（b）圖所示。

第五階段，當(dāng)右線(xiàn)隧道開(kāi)挖經(jīng)過(guò)觀(guān)測(cè)斷面-D，此時(shí)左線(xiàn)隧道的掌子面距離觀(guān)測(cè)斷面較遠(yuǎn)。這個(gè)階段，右線(xiàn)隧道開(kāi)挖對(duì)觀(guān)測(cè)斷面影響逐漸減小。觀(guān)測(cè)斷面逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。最終，地表沉降槽穩(wěn)定在了右側(cè)距離兩條隧道中線(xiàn)4m位置。如圖19所示。

通過(guò)以上分析，將具體監(jiān)測(cè)斷面各點(diǎn)的最終沉降量進(jìn)行分析，得到基于PECK公式的方程為：

S=-24.017-36.219e^（-0.5×（（X-4.8952）/9.8204）^2 ）? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

上面式子中：S為位移變形值（mm）;X為距離雙隧道中心線(xiàn)的間距。根據(jù)以上公式，當(dāng)間距X取4.8952時(shí)，此時(shí)位移變形值有極小值，也就是在此間距時(shí)，地表最大沉降值S_max在此處取得最大值，為60.236mm。蘭州地區(qū)黃土狀土，按照粘性土對(duì)待，沉降槽寬度參數(shù)K取為0.7，地表位移觀(guān)測(cè)段隧道埋深為9米，所以由公式i=Kz_0可計(jì)算出此處的沉降槽寬度為：

i=Kz_0=0.7*9=6.3m? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

再根據(jù)隧道直徑為6.9米，由公式S_max=（0.313V_L D^2）/i進(jìn)行變化可得到地層損失率表達(dá)式為：

V_L=（s_max.i）/（0.313D^2 ）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

將隧道直徑、沉降槽寬度、地表最大沉降值S_max 的數(shù)值均帶入上式，可得到蘭州黃土地層淺埋暗挖法施工時(shí)，DK32+317斷面地層損失率數(shù)值為2.55%。

3.2 沉降量預(yù)測(cè)

以蘭州地區(qū)為例，蘭州地區(qū)為黃土狀土，按照粘性土對(duì)待，沉降槽寬度參數(shù)K取為0.7，地表位移觀(guān)測(cè)段隧道埋深按10米計(jì)算，得到i=7。由上文中計(jì)算得到的地層損失率數(shù)值為VL=2.55%，隧道直徑D按7米計(jì)算。利用式（3）可計(jì)算出最大沉降量S_max=54.67mm。

4? 結(jié)論

通過(guò)利用Midas-GTS-NX軟件的建模模擬計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：

（1）在三種開(kāi)挖情況下最大沉降量的位置和數(shù)值基本無(wú)差別，最大沉降量的位置主要集中在拱頂部分和拱頂上的土體表面處，沉降量在27mm左右。對(duì)比三種不同米數(shù)開(kāi)挖方法，可以分析出，開(kāi)挖米數(shù)越小，沉降的控制就更加的精確。但是實(shí)際工程中，開(kāi)挖的米數(shù)越多，工程任務(wù)就會(huì)越繁雜。

（2）在沉降預(yù)測(cè)方面，針對(duì)蘭州地區(qū)黃土狀土通過(guò)PECK公式，按照粘性土對(duì)待，則地表沉降槽寬度參數(shù)K取為0.7，沉降觀(guān)測(cè)段的隧道埋深為9米，可預(yù)測(cè)出此處的沉降槽寬度為6.3米;已知隧道直徑為6.9米，可得到蘭州黃土地層淺埋暗挖法施工時(shí)，某斷面地層損失率數(shù)值為2.55%。通過(guò)PECK公式以及地層損失率就可以計(jì)算在相同土質(zhì)地區(qū)的最大沉降量為54.67mm。

參考文獻(xiàn)

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