深厚軟土地區隧道開挖變形特性數值模擬研究

摘"要：為研究深厚軟土地區隧道開挖變形特性，文章依托廣西某地鐵盾構隧道實際工程，利用FLAC 3D有限元軟件建立數值模型，分析了不同開挖階段的隧道地表軸線變化特征，以及不同軟弱下臥層厚度對隧道變形及地表沉降的影響，研究得出：隧道開挖到監測斷面時，地表沉降迅速增大，當開挖面超過監測斷面時，注漿漿液硬化導致的地層上浮，使地表沉降減小，待地層長期沉降穩定后，地表沉降相較于開挖時有所增大；隨著隧道開挖，隧道軸線地表沉降最大位置不斷向前推移，開挖面后方由于同步注漿出現一定的隆起變形，待地層長期沉降穩定后，隧道軸線不同位置的地表沉降基本一致；隨著軟弱下臥層厚度的增大，地表沉降減小，隧道上浮位移增大。參考文獻：

關鍵詞：軟土地層；隧道開挖；地表沉降；FLAC 3D有限元軟件

中圖分類號：U456.3+1

0 引言

我國國土面積廣闊，地形地貌和工程地質條件復雜，對隧道建設易產生不利影響，如在我國東部地區分布有大面積的深厚軟土地層，軟土具有強度低、含水率高、壓縮性高等不良工程特性，大量工程實踐表明，在此類地層修建隧道常面臨大變形和滲水問題，因此研究軟土地區隧道的開挖穩定性及加固措施對隧道的設計、施工和運營有著重要參考意義。

目前對軟土地區隧道開挖穩定性及加固措施的研究已有較多成果。曹洋等［1］利用FLAC 3D軟件建立軟土地層淺埋盾構隧道精細化數值模型，模擬了開挖過程對不同施工因素對地層的擾動效果。蘇玥等［2］依托上海市某地鐵隧道工程，采用“上海軟土”本構模型，建立有限元精細化模型，模擬軟土地層暗挖法隧道施工過程中地層的應力與變形規律。楊杰［3］分別依托紹興市和溫州市的地鐵盾構隧道工程，利用Midas GTS NX和PLAXIS軟件建立數值模型，并結合現場監測數據，研究了軟土地區隧道開挖地表沉降變化規律。李永輝［4］依托西安至安康高速鐵路某隧道段，利用Midas軟件建立三維數值模型，研究了襯砌混凝土強度和襯砌厚度對隧道開挖過程中初期支護的支護效果。黃昌富等［5］依托珠海橫琴杧洲隧道工程，利用PLAXIS軟件建立三維有限元數值模型，模擬隧道開挖過程中對圍巖進行注漿加固，研究了加固范圍對軟土淺埋超大直徑盾構隧道施工對地表沉降的影響。牟公羽等［6］依托上海市某地鐵隧道注漿治理案例，利用FLAC 3D軟件建立數值模型，通過虛擬膨脹應力法對注漿加固過程進行數值模擬，揭示了注漿過程中超孔隙水壓力消散機理及隧道變形機理。宋棋龍等［7］依托珠海橫琴杧洲隧道實際工程，建立三維有限元數值模型，研究了注漿加固范圍對隧道開挖面破壞形式及地表沉降的影響。

本文依托廣西某地鐵盾構隧道實際工程，利用FLAC 3D軟件建立數值模型并進行計算，分析了不同開挖階段的隧道地表軸線變化特征，并研究了不同軟弱下臥層厚度對隧道變形及地表沉降的影響，以期為軟土地區隧道的設計和施工提供參考。

1 工程背景與數值建模

1.1 工程概況

本文依托廣西某地鐵盾構隧道實際工程，隧址區地勢較為平坦，地層分布自上而下分別為雜填土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土；地下水發育，主要類型為第四紀松散巖類孔隙潛水和孔隙承壓水。研究區域內隧道長度為1 274 m，隧道埋深在12～16 m，屬淺埋隧道，盾構隧道斷面穿越深厚的淤泥質黏土地層。勘察結果表明，淤泥質黏土的壓縮模量為3.0 MPa，含水率為43.2%，具有土質均勻、高壓縮性、高含水率、低透水率的不良工程特性。

1.2 數值模型的建立

本文利用FLAC 3D軟件建立數值模型并進行計算，研究深厚軟土地層隧道變形特性及長期沉降影響因素。數值模型依據隧道實際斷面建立，地層自上而下為雜填土（厚度為5.0 m）、淤泥質黏土（厚度為20.0 m）、粉質黏土（厚度為15.0 m）。為減小邊界效應導致的計算誤差，選取數值模型尺寸為120 m×60 m×40 m（長×寬×高），隧道埋深為15 m，采用等效梁模型對隧道進行模擬，通過對混凝土參數進行折減來抵消盾構管片的接縫和螺栓對隧道剛度的劣化作用，隧道外徑為7.0 m，內徑為6.3 m，數值模型如下頁圖1所示。

模型邊界條件如下：

（1）幾何邊界：模型頂面邊界為自由邊界，底面邊界施加水平和豎直方向的約束，側面邊界施加垂直側面的約束。

（2）水力邊界：模型頂面邊界為自由排水邊界，底面邊界和側面邊界均為定水頭邊界，地表處水壓力為0，距地表深度為h處的水壓力為γwh。巖土體的本構模型采用“摩爾-庫侖”模型，巖土體物理力學參數取值如表1所示。注漿漿液和襯砌的本構模型選用線彈性模型，注漿壓力為280 kPa，注漿填充率為200%，襯砌層采用C50混凝土，由于模型未考慮管片的接縫和螺栓，因此在取襯砌力學參數時對其彈性模型進行20%的折減，模擬管片接縫和螺栓對襯砌的剛度劣化，注漿層和襯砌的參數取值如表2所示。

隧道施工過程模擬方法為：每個施工步為1.2 m，共需開挖100步。在預計開挖位置前的掌子面處添加掌子面支護力，掌子面支護力為對應土層深度的主動土壓力，同時將開挖土體的本構模型更改為“1”，模擬土體開挖，并在開挖位置后方激活襯砌和注漿層，模擬開挖后支護，其中注漿壓力采用均布力進行模擬，隧道開挖過程如圖2所示。

列車荷載通過擬靜力法進行模擬，采取經驗公式σdl=0.26p（1+0.004v）進行計算，其中p為車輛靜軸重，取200 kN，列車速度取100 km/h，對應的列車荷載為73 kPa。

2 數值計算結果

2.1 數值模擬可靠性分析

為驗證數值模型及計算結果的可靠性，提取現場隧道開挖面前30 m的隧道斷面對應地表沉降監測數據，與數值模擬中的地表沉降數據進行對比，如圖3所示。參考文獻：

由圖3可知，數值模擬得到的隧道開挖過程中斷面的橫向沉降槽為一標準的“倒鐘形”曲線，即隧道兩側的地表沉降較小，隨著距隧道中軸線距離的減小，地表沉降值逐漸增大，在隧道中軸線位置，即隧道拱頂位置對應的地表沉降值達到最大，為10.92 mm。而現場監測數據雖也大致呈現隧道兩側的地表沉降小、中部地表沉降大的趨勢，但地表沉降最大值并未在隧道中軸線位置出現，而是在隧道中軸線右側3.0 m的位置出現，為10.26 mm。現場監測的地表沉降曲線距離標準的“倒鐘形”曲線仍有較大差距，分析其原因為：數值模型中假定巖土體是均質的，且為便于計算，對實際的工程地質條件進行了一定簡化，工程實際中的巖土體更為復雜，導致工程中的數據與理論計算值有一定偏差。另外，根據工程經驗，現場監測的最大地表沉降偏離隧道中軸線的最大可能性為隧道開挖過程中盾構姿態控制不良。綜上，雖然數值計算結果與現場監測數據有一定差距，但整體規律具有一致性，且數值計算得到的地表沉降最大值與現場監測之間的偏差＜10%，說明該數值模型在分析軟土地層隧道開挖過程中的變形和地表沉降具有一定的參考價值，數值計算結果具有可靠性。

2.2 地表沉降計算結果分析

選取隧道縱向的中間斷面，即Y=60 m的斷面為監測斷面，根據數值計算結果，得到不同開挖階段地表沉降曲線如圖4所示，其中圖4（a）是監測斷面位置對應的地表沉降曲線，圖4（b）是隧道軸線位置對應的地表沉降曲線。

由圖4（a）可知，當盾構機未開挖到監測斷面時，監測斷面處的地表沉降較小。當開挖至Y=30 m時，開挖面距監測斷面的距離為30 m，此時監測斷面地表沉降曲線近似為一條直線，說明此時開挖引起的隧道變形對監測斷面幾乎無影響。當開挖至Y=45 m時，監測斷面地表沉降曲線已經呈現兩側小、中部大的特征，沉降槽開始形成，最大地表沉降出現在隧道中軸線位置，為-2.72 mm。當開挖至Y=60 m時，地表沉降迅速增大，沉降槽形成，最大地表沉降達到-14.2 mm。當開挖至Y=90 m時，盾構機已經過監測斷面，此時沉降槽形態未發生變化，但地表沉降出現一定幅度的減小，最大地表沉降達到-10.92 mm，這是因為注漿后漿液硬化導致的地層上浮。待開挖后地層長期沉降穩定后，沉降槽形態仍保持不變，但地表沉降相較于開挖時有所增大，最大地表沉降達到-13.59 mm，這是由于軟土的固結沉降導致的。由圖4（b）可知，盾構機開挖斷面前方位置為此時隧道軸線地表沉降最大的位置，隨著盾構機向前開挖，隧道軸線上地表的最大沉降位置向前不斷推移，且隧道開挖至不同位置，隧道軸線地表沉降最大值均在14～16 mm小幅變化，而盾構機開挖斷面后方一定范圍的位置會出現地層隆起變形，這是因為隧道開挖后同步進行注漿導致的，待隧道開挖完成地層長期沉降穩定后，隧道軸線不同位置的地表沉降基本一致。

2.3 軟弱下臥層厚度對隧道變形的影響

該地鐵隧道全斷面均穿越深厚的淤泥質黏土層，淤泥質黏土與下伏粉質黏土相比，具有更高的壓縮性和含水率、更長的固結時間，淤泥質黏土地層作為支撐該地鐵隧道的直接載體，地層厚度對隧道和地表的沉降具有較大影響。軟弱下臥層厚度是指隧道拱底下方淤泥質黏土的厚度，設置軟弱下臥層厚度為6.0 m、8.0 m、10.0 m和12.0 m 四種工況進行數值計算，研究軟弱下臥層厚度對隧道沉降的影響，得到不同軟弱下臥層厚度下隧道開挖完成后監測斷面處隧道軸線位置地表和隧道拱頂的沉降曲線，如圖5和圖6所示。

由圖5可知，開挖完成后的地表沉降和固結穩定后的最終地表沉降均隨著軟弱下臥層厚度的增大而不斷減小，固結沉降隨軟弱下臥層厚度變化較小。當軟弱下臥層厚度分別為6.0 m、8.0 m、10.0 m和12.0 m時，開挖完成后的地表沉降值分別為18.08 mm、17.23 mm、16.10 mm和14.99 mm，固結穩定后的最終地表沉降分別為24.00 mm、23.10 mm、21.92 mm和20.73 mm，固結沉降分別為5.92 mm、5.87 mm、5.82 mm和5.74 mm。

由圖6可知，隧道拱頂位移方向向上，說明隧道出現“上浮”現象，隨著軟弱下臥層厚度的增大，隧道拱頂位移不斷增大，當軟弱下臥層厚度分別為6.0 m、8.0 m、10.0 m和12.0 m時，開挖完成后的拱頂位移值分別為6.65 "mm、9.64 mm、11.87 mm和14.53 mm，固結穩定后的最終拱頂位移值分別為4.05 mm、7.02 mm、9.24 mm和11.88 mm，拱頂固結期位移分別為-2.6 mm、-2.62 mm、-2.63 mm和-2.65 mm。

綜上，軟弱下臥層厚度對開挖完成后的隧道變形及地表沉降和固結穩定后的最終隧道變形及地表沉降影響較大，對固結期土體固結變形的影響較小。隨著軟弱下臥層厚度的增大，地表沉降減小，隧道上浮位移增大。

3 軟土地層隧道變形控制措施

（1）地層巖土體特性和地下水對土體的長期沉降有較大影響，在隧道勘察設計階段，應該查清隧道研究區域的工程地質與水文地質情況，建立完善的監測體系，監測隧道施工及運營期間的土體位移及滲流場特性。

（2）隧道的施工質量對隧道開挖過程中的隧道變形和地表沉降具有較大影響，根據數值計算結果可知，土體固結變形相較于隧道初始變形和地表初始沉降，其數值很小，因此控制施工質量、減小隧道開挖對周圍土體的擾動，以及減小隧道初始變形和地表初始沉降，是控制隧道長期變形的關鍵。

（3）隧道軟弱下臥層對隧道變形有較大影響，工程實際的地層分布并非如數值計算中假定的地層厚度不變且土體均勻一致，穿越不同軟弱下臥層厚度區域時，其過渡段會產生差異沉降，導致隧道結構安全性下降，應對此類區域進行重點加固。

4 結語

（1）當未開挖到監測斷面時，監測斷面處的地表沉降較小，當開挖到監測斷面時，地表沉降迅速增大，當開挖面超過監測斷面時，由于注漿后漿液硬化導致的地層上浮，地表沉降出現一定程度減小，待開挖后地層長期沉降穩定后，沉降槽形態保持不變，由于軟土的固結沉降導致地表沉降相較于開挖時有所增大。

（2）隨著盾構機向前開挖，隧道軸線地表沉降最大的位置也在不斷向前推移，開挖斷面后方一定范圍的位置由于隧道開挖后同步注漿出現一定的地層隆起變形，待隧道開挖完成，地層長期沉降穩定后，隧道軸線不同位置的地表沉降基本一致。

（3）軟弱下臥層厚度對開挖完成后的隧道變形及地表沉降和固結穩定后的最終隧道變形及地表沉降影響較大，對固結期土體固結變形的影響較小。隨著軟弱下臥層厚度的增大，地表沉降減小，隧道上浮位移增大。

參考文獻：

［1］曹 洋，林向榮，李子路.軟土地層淺埋盾構施工的精細化數值模擬［J］.工程科學與技術，2022，54（3）：149-158.

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