地鐵洞樁法隧道施工過程中地表及地下管線沉降數值模擬分析

摘要：以沈陽某地鐵區間洞樁法隧道工程為背景，采用MIDAS GTS NX對隧道施工過程進行模擬，并對地表沉降、管線沉降進行數值分析。研究結果表明：地表及管線沉降在隧道各施工階段逐步累積，尤其在導洞和正線拱部開挖時，沉降增長較大。邊樁、中隔墻及拱部二襯組成的支撐體系，對隧道下部土體開挖起到保護作用，地表沉降總體可控。在實際施工時，應做好各部分開挖前的超前支護，注意開挖后及時施作鋼拱架、噴射混凝土以及二襯結構，同時也要銜接好各施工步序，以便控制地表和管線沉降。

關鍵詞：雙連拱隧道；洞樁法；管線沉降；數值模擬

0" "引言

隨著城市地鐵建設的迅速推進，淺埋、大跨度的地下工程日益增多。這些工程通常位于交通繁忙的區域，管線遷改復雜，對地表沉降有較高要求[1]。洞樁法作為一種有效的施工方法，通過導洞、邊樁和扣拱的結合，形成一個整體的支護體系，以確保在土方開挖期間的安全性，能有效控制地層沉降[2]。

有關專家學者對洞樁法的設計與施工進行了深入研究。楚劉輝[3]基于北京地鐵牛街站洞樁法導洞開挖，對地表沉降影響進行研究，研究表明導洞的施工工藝對地表沉降的影響較為顯著。通過優化導洞的施工工藝和掌子面間距，可以有效控制地表沉降。楊峰[4]依據西安某地鐵車站洞樁法施工的地表變形數值模擬分析，研究結果表明，地表沉降曲線沿車站中線對稱分布，在車站整體施工過程中，地表沉降量不斷增加，增加速率呈現先增加后平緩、再增加最后平緩的現象。

洞樁法在地鐵車站的建設中有廣泛的應用，然而對于區間隧道單層結構的研究相對較少。基于此，本文以沈陽某地鐵區間暗挖段工程為研究對象，采用數值模擬技術對淺埋大跨度洞樁法隧道施工過程進行了動態仿真分析。研究重點集中在地表沉降和管線沉降的變化規律上，旨在為未來類似工程的設計和施工提供科學依據和參考。

在研究中，首先建立精確的數值模型，模擬了隧道開挖過程。通過動態仿真，詳細分析了不同施工階段地表和管線的沉降情況，揭示了其變化趨勢，并研究加強超前支護措施對沉降的影響。此外，本文提出了如優化支護結構設計、選擇合適的施工方法和加強施工監測等措施，旨在有效控制地表和管線的沉降，確保工程的順利進行和長期穩定運行。

1" "工程概況

沈陽某地鐵區間位于鴨綠江北街下方，正線線間距為15m，并設有兩條停車線。該區域地面交通繁忙，地下管線眾多，周邊建筑物對地表沉降要求較高。隧道全長197.7m，采用洞樁法施工，為四線雙連拱單層結構，覆土厚度約9m。場地屬于坡洪積、冰漬波狀臺地地貌單元，隧道穿越粉質黏土和中粗砂層，底板位于礫砂層，圍巖等級為Ⅵ級。勘察期間未發現地表水，但存在一層微承壓地下水，主要賦存于中粗砂、礫砂及圓礫層中，穩定水位埋深約18m。地質剖面圖如圖1所示。

2" "結構設計

2.1" "導洞結構設計

在導洞開挖之前，為了確保安全和穩定性，拱部區域采用DN32單排小導管預注漿加固地層，進行超前支護。初期支護結構由300mm厚C25網噴早強混凝土與鋼筋格柵組成，其中格柵間距為0.5m。

1#導洞分為上下兩層，寬度為4.1m，總高度為9m；2#和3#導洞的寬度均為4.1m，高度均為4.85m。在2#和3#導洞內，邊樁為直徑1000mm、間距1.5m的鉆孔灌注樁，樁長10m。樁頂冠梁的尺寸為1700mm×1000mm（寬×高）。導洞橫剖面見圖2。

2.2" "主體結構設計

主體結構的拱部采用DN32雙層小導管預注漿加固地層進行超前支護。初期支護結構由350mm厚C25網噴早強混凝土與鋼筋格柵組成，其中格柵間距為0.5m。頂板的二襯厚度為0.8m（最薄處），側墻的二襯厚度為0.8m，底板的二襯厚度為1.2m。隧道的剖面圖見圖3。

3" "數值模擬分析

3.1" "計算模型

在綜合分析現場管線狀況及地質環境后，本研究運用Midas GTS/NX有限元軟件構建了三維隧道模型。該模型尺寸沿隧道長20m、寬100m、高40m，其地表設置為自由邊界條件，底部施加固定約束，其余各面采用滾軸平動約束以模擬實際工況。

在計算過程中，土體材料選用修正摩爾庫倫本構模型，以期準確描述其力學行為；襯砌和邊樁采用彈性本構模型，分別以板單元和梁單元進行建模；冠梁與二次襯砌則以實體單元形式呈現，確保模型的整體性和準確性。經劃分，模型共包含163554個節點和87597個單元。

關于模型的材料屬性參數如表1所示。有限元計算模型的直觀視圖如圖4所示，通過圖4可直觀地理解模型的構造和特點。

3.2" "施工步驟模擬

針對本工程的具體條件，施工過程的模擬步驟如下： ①初始地應力分析，并確保初始狀態位移為零；②導洞進行超前注漿加固、開挖及支護；③邊導洞與邊樁、冠梁施工；④中導洞中隔墻施工；⑤邊導洞扣拱回填；⑥正線拱部進行注漿、開挖及扣拱，并實施二次襯砌；⑦正線底部進行開挖、施作二襯。

3.3" "計算結果與分析

依據上述步驟對隧道進行開挖模擬，分別提取導洞開挖及支護完成，邊樁、冠梁及中隔墻澆筑完成，正線初支扣拱完成，正線二襯完成四個關鍵施工步驟計算結果，對地表沉降、管線沉降進行數據分析。

3.3.1" "地表沉降分析

各關鍵施工步驟完成后的地層豎向位移如圖5所示。關鍵施工步驟地表最大沉降值如表2所示。通過對地表沉降值的計算分析，可以明顯觀察到隨著工程的推進，地表沉降逐漸增加。特別是在導洞開挖及支護、正線初支扣拱階段，這兩個階段引起的地表沉降分別達到了9.6mm和11.9mm，分別占最終地表總沉降量的32.2%和39.9%。相比之下，邊樁冠梁及中隔墻澆筑、正線二襯澆筑階段所引起的地面沉降則相對較小。

為了有效控制地表沉降，在施工過程中必須采取一系列超前措施。首先，應加強超前支護，確保土體的穩定性；其次，縮短開挖進尺并及時施做初支結構，以減少對土體的擾動。

在本工程中，正線二襯采用逆作法，即在施作拱部二襯時，盡量減少中隔壁拆除的分段長度，并盡快搭設滿堂腳手架進行二襯澆筑，從而縮短中隔壁拆除后的暴露時間。這一做法有助于快速形成邊樁-拱部二襯-中隔墻整體的支撐體系，共同承受上部地層的壓力，為隧道下部土體的開挖和二襯澆筑提供了有效的保護。

3.3.2" "管線沉降分析

各關鍵施工步驟完成后的管線沉降見圖6。關鍵施工步驟管線最大沉降值表3所示。分析認為，本工程地下管線的埋深較淺，隨著隧道施工的逐步進行，這些管線的沉降發展情況與地表沉降的趨勢保持一致。然而由于各管線與隧道的相對位置不同，它們的沉降程度也呈現出一定的差異性。

具體而言，位于隧道中心線位置的DN800熱力管沉降最為明顯，而處于隧道邊緣的管線則相對較小。這一現象表明，管線的沉降變化與其距離主要影響區的遠近密切相關：越靠近主要影響區，沉降越大；反之，則越小。這種規律性的變化不僅揭示了管線沉降的內在機制，也為工程設計和施工提供了重要的參考依據。

3.3.3" "土層加固后沉降分析

經過上述計算和結果分析可知，沉降值總體上仍然較大。為了降低地表沉降對周邊建筑物的影響以及減小管線的沉降，在開挖前，對正線拱部上方土體采取深孔注漿的方式進行加固處理。隨后，進行模擬計算，以評估加固后的地面沉降和管線沉降情況，并對這些計算結果進行詳細的對比分析。通過這種方式，能夠更全面地了解加固措施的效果，并為后續的工程決策提供依據。

加固后各關鍵施工步驟完成后的地層豎向位移如表4所示。加固后各關鍵施工步驟完成后的管線沉降見表5所示。分析可知，在保持所有其他條件不變的情況下，開挖采用深孔注漿加固的拱部上方土體，與開挖未經過加固處理的土體相比，當正線二襯完成時，地面沉降顯著減少了32.2%，管線沉降也相應減少了34.4%。這一數據表明，通過加強正線大斷面開挖前的超前措施，可以有效地控制地面沉降及管線沉降。

分析認為，深孔注漿技術通過向土體中注入漿液，增強了土體的強度和穩定性。這種方法不僅能夠提高土體的承載能力，還能有效防止土體在施工過程中發生過度變形和沉降。因此，在正線開挖前采用這種加固措施，可以顯著減少地面和管線的沉降，從而保證工程的安全性和可靠性。

4" "相關建議

根據對沈陽地鐵淺埋暗挖洞樁法隧道施工過程進行的數值模擬分析，可以得出以下結論及建議：

隧道開挖過程中，在導洞開挖及支護階段和正線初支扣拱階段，地表沉降顯著增加。非開挖施工階段引起的地面沉降相對較小。因此，建議土體開挖階段應做好超前支護，或采用深孔注漿等超前加固措施，縮短開挖進尺并及時施作初支結構，以有效控制地表沉降。

本工程的正線二襯采用了逆作法施工技術。在初支扣拱成型后，拆除中隔壁進行拱部二襯施工時，地表仍會發生一定沉降。為了減少這種沉降，建議盡量減少中隔壁拆除的分段長度，并盡快進行二襯澆筑，縮短中隔壁拆除后的暴露時間。

考慮到本工程地下管線埋深較淺，隨著隧道施工的進行，管線沉降情況與地表沉降的發展趨勢基本一致。越靠近主要影響區，管線沉降越大；反之則越小。因此建議在施工過程中合理銜接各施工步序，避免管線發生較大不均勻沉降而產生破損。

5" "結束語

本文通過對沈陽地鐵淺埋暗挖洞樁法隧道施工過程的數值模擬分析，得出了關于地表沉降、管線沉降以及施工策略的關鍵結論，并提出了針對性處置措施建議。通過這些綜合措施的實施，不僅可以有效地控制地面和管線的沉降，還能夠提高整個工程項目的安全性和可靠性，對于指導實際施工具有參考價值，有助于確保工程質量和安全。

參考文獻

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