黃土地區(qū)地鐵隧道對地表沉降變形的影響分析

摘 要：為研究隧道開挖對地表沉降變形的影響，本文以某黃土地區(qū)地鐵隧道工程為例，采用數值模擬系統(tǒng)分析了黃土地區(qū)隧道開挖對地表及隧道圍巖變形的影響。結果表明：隧道開挖對圍巖的影響主要分為緩慢增加、急劇增加和趨于平穩(wěn)3個典型過程。隧道拱頂變形與地表沉降變化趨勢基本相同，圍巖兩邊的變形表現為先增后減最后穩(wěn)定的趨勢。針對距離地表比較近且斷面尺寸大的淺埋暗挖隧，采用臺階法的施工工序復雜，容易對地表沉降變形影響較大，因此可以通過導管注漿及架立鋼拱架等支護方法減少隧道施工對地表變形的影響。

關鍵詞：地鐵隧道；黃土地區(qū)；地表變形；數值模擬

中圖分類號：U 45 " 文獻標志碼：A

隨著我國經濟的快速發(fā)展，全國各地的地鐵隧道工程也取得了進步。但在實際施工中發(fā)現，開挖地鐵隧道經常會導致地表沉降變形嚴重。因此，國內外很多學者對地鐵隧道施工穩(wěn)定性進行了相關分析。王樹明等[1]基于模型試驗系統(tǒng)研究了黃土地區(qū)的地鐵隧道不同濕陷變形方式。結果表明，濕陷最終累計沉降量大于均勻濕陷最終累計沉降量。此外，不均勻濕陷對地鐵結構物的危害更大，兩種濕陷變形方式均對隧道中線附近沉降影響最大。賀希英等[2]基于數值模擬研究了黃土地區(qū)深基坑開挖工程對下臥變截面地鐵隧道的影響。結果表明，地下水位的變化使土體應力改變，從而導致隧道變形。其中，開挖卸荷會引起坑底回彈。王軍琪等[3]基于現場實測數據分析了黃土地區(qū)通道上跨既有地鐵隧道襯砌的受力分析。結果表明，初期支護與二次襯砌間的接觸壓力先跨線整體比后跨線小，左右線各測點接觸壓力在上跨施工過程中均表現為增加。

本文根據黃土地區(qū)某地鐵隧道工程，采用ABAQUS數值模擬及現場實測數據系統(tǒng)分析了黃土地區(qū)隧道開挖引起的地表沉降問題。研究可為類似隧道的施工提供參考。

1 工程概況及數值模擬

1.1 工程概況

本文以某城市地鐵盾構隧道工程為例，對其沉降變形進行研究。該地鐵隧道的施工方法主要采用短臺階+臨時仰拱法。隧道支護采用?42mm×3.5mm的注漿支護，為了保證隧道拱頂的穩(wěn)定性，對拱頂土體進行預加固。此外，在鋼拱架架立后及時噴射混凝土，提高隧道與圍巖的整體性。隧道支護具體結構如圖1所示。

隧道區(qū)間地面高程約為401～406m，沿線表現出典型的南高北低的趨勢。擬建場地地層由上到下分別為人工填土、上更新風積新黃土層、中更新統(tǒng)老黃土層、沖積粉質黏土和中砂。其中，人工填呈灰色-灰褐色，密實度較差，碎石含量通常大于60%，填充黏土；黃土層呈黃色-紅褐色，顆粒組成以0.075～0.005mm為主，粒徑大于0.25mm的較少。不均勻系數為8.2；粉質黏土層呈淺灰色，濕，稍密，局部相變?yōu)轲ね痢１酒骄鶚素灀魯礜＝6.6擊，物理力學性質一般。中砂層呈灰色-灰黑色，顆粒大部分分散，小部分膠結，粒徑大于2mm的顆粒含量占總質量的25％～50％，稍濕～飽和，中密狀態(tài)。根據勘察資料，研究區(qū)降雨量充沛，降水多數以地表徑流方式匯入河溝，其余降水沿第四系基巖孔隙滲入地下，是地下水補給主要來源。

1.2 數值模型

采用ABAQUS數值有限元建立計算模型（圖2）。隧道開挖方式為短臺階+臨時仰拱法，支護方式采用復合式襯砌。隧道開挖后立即進行支護，循環(huán)開挖進尺為2m。數值模型取左右線各60m進行建模分析。模型左右邊界長度為4倍洞徑。模型總長度為75m。寬度為60m，高度為35m。最終得到的模型網格總數為36500，節(jié)點個數為41352個。數值模型的邊界條件為約束左右兩側水平方向的位移，模型底部約束3個方向的自由度，頂部為自由面。隧道埋深為9.5m。本文計算采用的巖土體物理力學計算參數見表1。隧道襯砌支護采用混凝土，對應的材料彈性模量為38MPa，重度為28kN/m3，泊松比為0.22，厚度為0.3m。

2 計算結果與分析

2.1 地鐵隧道橫向地表變形

圖3為不同斷面地表橫向變形的變化規(guī)律。結果表明，地表沉降變形隨橫向距離的增加呈現先變大后變小的趨勢。當隧道右線開挖深度為50m時，相同橫向距離下，隨隧道開挖深度越大，地表橫向變形越大。其中，地表橫向變形的最大值出現在隧道中線偏右3m位置處。最終形成的地表沉降槽大約為隧道直徑的2倍。

圖4為采用不同模型的地表橫向變形（隧道右線挖深50m）對比結果。結果表明，各種模型計算的地表橫向變形的差異性較大。其中，各種模型計算的地表橫向變形值均小于實測值。Peck模型、Sagaseta模型、數值模擬及實測數據得到的地表最大橫向變形值分別為10.2mm、5.3mm、17.1mm和19.9mm（見表2）。總體來看，各模型得到的地表橫向變形的最大值均小于規(guī)范規(guī)定的上限值（50mm）。證明隧道開挖對地表的沉降變形影響是可控的。

2.2 地鐵隧道縱向地表沉變形

圖5為當右線開挖至50m時，地表縱向變形的對比分析結果。結果表明，地表縱向沉降曲線大致呈“S”形。其中掌子面的地表沉降變形值最大。沉降最大值約為19mm。總體來看，地表縱向變形隨著與洞口距離的增加而先變大再趨于平緩。隨著掌子面的推進，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。距離掌子面的距離越遠，傳遞到地表的沉降變形值越小。此外，對比各種計算模型的結果可知，Sagaseta與實測數據的偏差最大，而Peck公式和數值模擬結果與實測結果最接近[5-6]。

2.3 地鐵隧道拱頂變形

圖6為當右線掌子面開挖深度為50m，左線支護完畢時，左右線隧道拱頂沉降的變化規(guī)律。結果表明，拱頂沉降隨著與洞口的距離增加而先變大后趨于平穩(wěn)。開挖初始面沉降變形值最大，其中左線最大值約為20mm，右線約為22mm。可以發(fā)現右線隧道拱頂變形略大于左線隧道拱頂沉降。左隧道超前開挖對周圍巖土體產生擾動，因此導致右線隧道土體產生沉降，當右隧道開挖時又會產生沉降，最終沉降變形結果是兩次沉降疊加的效果。此外，數值模擬與實測值變化趨勢基本相同，證明本文的數值模擬是合理的。數值模擬可以有效模擬臺階法施工的雙線地鐵隧道變形規(guī)律[4-6]。

2.4 地鐵隧道幫部圍巖變形

為了進一步分析隧道圍巖的變形規(guī)律，本文對隧道左右兩線4個監(jiān)測點進行分析。4個監(jiān)測點分別為左線30m左幫位置、左線30m右?guī)臀恢谩⒂揖€30m左幫位置和右線30m右?guī)臀恢茫▓D1）。

匯總得到隧道左幫變形和隧道右?guī)蛧鷰r變形。隧道左幫變形監(jiān)測結果表明，當隧道右線開挖深度為60m時，左線30m左幫X1監(jiān)測點的變形值迅速變大，最大值為3.3mm；右線30m左幫X3監(jiān)測點最大變形值出現在右線開挖至20m深度時。由于左線開挖對右線會產生影響，因此當右線開挖深度為30m時，X1變形較大。總體來看，兩測點的變形趨勢相同且數值模擬結果與實測結果較吻合。

隧道右?guī)妥冃伪O(jiān)測結果表明，當距洞口位置小于30m時，隧道右?guī)蛧鷰r會變形，變形較小。當距離大于30m時，圍巖變形迅速變大。其中，當右線開挖深度為60m時，X4測點出現最大變形值，約為10.6mm；當右線開挖深度為30m時，X2測點的變形基本趨于穩(wěn)定。當右線開挖深度為30m時，左線開挖已經基本完成。因此，左線30m右?guī)臀恢米冃畏€(wěn)定。

3 結論

本文根據黃土地區(qū)某地鐵隧道工程，采用ABAQUS數值模擬系統(tǒng)分析了黃土地區(qū)隧道開挖引起的地表沉降，結合現場實測數據，對其進行對比分析。得出以下結論。1）黃土地區(qū)隧道開挖對圍巖的影響主要分為3個階段，分別為緩慢增加、急劇增加和趨于平穩(wěn)。其中開挖初期，圍巖變形增長速率較低。地表變形的最大值位置通常為隧道中線偏右側約3m處且地表沉降槽約為2倍的隧道外徑。2）隧道導致的地表縱向沉降呈“S”形，最大值出現在掌子面處，隨著縱向開挖深度的增加，沉降變形值逐漸趨于穩(wěn)定。3） 隧道開挖對地表變形的影響因素較多，對黃土地區(qū)來說，土體的濕陷性影響較大。在實際工程中，應加強對圍巖含水量進行監(jiān)測。對淺埋暗挖隧道來說，由于隧道距離地表較近，因此對地表沉降變形影響較大。在工程中，可采取導管注漿或鋼拱架支護措施控制地表的沉降變形。

參考文獻

[1]王樹明，梁慶國，王二磊.黃土地區(qū)地鐵隧道不同濕陷變形方式模型試驗系統(tǒng)的研制及應用研究[J].現代隧道技術，2020，57（2）：157-162.

[2]賀希英，高強，張曉光，等.黃土地區(qū)基坑開挖對下臥變截面地鐵隧道影響數值分析[J].水利與建筑工程學報，2019，17（1）：221-226.

[3]王軍琪，康佐，趙杰.黃土地區(qū)通道上跨既有地鐵隧道襯砌受力分析[J].鐵道工程學報，2015，32（11）：120-127.

[4]李慶園，孟昌，朱元偉，等.黃土地區(qū)地鐵隧道盾構施工時既有房屋的變形規(guī)律分析[J].城市軌道交通研究，2013，16（12）：103-107.

[5]饒宇，夏元友，趙根，等.盾構引起地表沉降預測模型與影響因素分析[J].武漢理工大學學報，2015，37（2）：63-68.

[6]侯樂樂，翁效林，黃文鵬，等.濕陷性黃土地鐵隧道基底注漿加固處治試驗[J].長安大學學報（自然科學版），2022，42（2）：91-102.