地铁隧道浅埋暗挖沉降模拟实例研究.pdf

总651期2023年第21期（7月 下）0 引言地铁的修建是城市发展到一定阶段的开发趋势，不同地区、不同城市所处的地质情况不同，地铁的建设势必会遇到岩土施工方面的问题，特别是随着现有城市的发展，地下埋设有各种管线，地下施工难度大，同时还需考虑既有地面的建筑物和交通设施等影响。浅埋暗挖的技工技术可使用于各种围岩中，对地层的沉降影响小且容易控制。本文在参考现有研究的基础上1-8，为研究地铁隧道浅埋暗挖沉降模拟过程，基于实际工程，采用有限元软件ABAQUS对各开挖步骤下的地表沉降进行数值模拟分析和实际监测对比，希望能够为地铁隧道开挖过程中地表沉降分析提供一定的参考。1 工程概况某地铁隧道工程属于东部沿海地区，隧道的施工方法为台阶法，隧道开挖后下部的地质主要为微风化花岗岩，隧道主要穿越地质包括散体状强风化花岗岩、微风化花岗岩、破碎状强风化花岗岩和中等风化花岗岩，左线区间隧道长度为1 288.361 m，右线区间隧道长度为1 286.505 m，隧道覆土厚度为31.849.8 m，隧道轨面埋深为36.6554.65 m，隧道浅埋暗挖区间的正线线间距为8.515 m，隧道内设有一座施工竖井和横通道，沿着隧道纵向中轴的正上方布置监测点，本文地表沉降的观测点为FAC86，围岩等级为级，开挖断面为C形断面，每次开挖1 m，随后进行支护。2 模型建立模型土体由上层素填土、中层散体状强风化花岗岩、下层微风化花岗岩组成，且都均匀分布；由于工程所处地质主要为淤泥，因此在模型建立时不考虑地下水渗流耦合；隧道正上方的行人、车辆等动态荷载忽略不计；锚杆支护和超前小导管支护注浆模型进行简单化模拟，建模过程中不考虑上下台阶的坡度，模型土体参数见表1。表1 模型土体参数土体地质上层素土中层散体状强风化花岗岩下层微风化花岗岩层厚/m253827重度/（N/m）1 9501 8902 580弹性模量/MPa1222042 355泊松比0.400.250.1内摩擦角/242935横断面地表沉降的计算公式为9：S(x)=Smax exp(-x22i2)（1）i=Z2(45o-2)（2）式中：S()x为横向x距离处的沉降；i为沉降槽宽度系数；Z为隧道埋深；为角度。3 试验模拟分析3.1 纵向中轴线地表沉降分析在距离洞口1 m的土体，用上台阶开挖完成，运用有限元软件进行模拟分析，收集整理数据得到隧道纵向中轴线地表沉降曲线如图1。图1 上台阶开挖距离洞口1 m地表沉降曲线收稿日期：2022-11-25作者简介：格日勒图（2001），男，内蒙古呼和浩特人，研究方向为交通运输工程。地铁隧道浅埋暗挖沉降模拟实例研究格日勒图，王全宇，王瀚，曹洪业，王乃嘉（大连科技学院，辽宁 大连 116052）摘要：为研究地铁隧道浅埋暗挖沉降模拟过程，结合某地铁隧道工程实例，建立土体模型，并采用有限元软件ABAQUS对各开挖步下地表沉降进行数值模拟分析和实际监测的比较，内容包括纵向中轴线地表沉降分析、隧道横断面地表沉降槽分布分析、有限元模拟，为同类工程提供参考。关键词：地铁隧道；隧道开挖；地表沉降；有限元分析；数值模拟中图分类号：U455.4文献标识码：B146交通世界TRANSPOWORLD开挖土体在沿隧道方向存在一定的应力，导致其发生较大位移，大量应力被释放，通过图1可以看出，最大沉降值和最小沉降值的差距很小，究其原因是开挖面的稳定性和应力的释放被其自身放坡所作用，放坡的程度可以根据工程实际情况运用有限元软件计算确定。第六次在距离洞口 1 m 的土体，用下台阶开挖完成，运用有限元软件进行模拟分析，收集整理数据得到隧道纵向中轴线地表沉降曲线如图2。图2 下台阶开挖距离洞口1m地表沉降曲线从图2分析可知，此时对应的上台阶还有1 m的距离就要贯穿隧道，最大沉降值和最小沉降值之间的差距并不大，主要原因是围岩刚度的变形被支护结构在重力方向的作用弥补了，且前期地层的开挖已将地应力释放完成。在第12次开挖完成，同时二次衬砌完成后，隧道中心纵向轴线上地表沉降累计值如图3，不同开挖步下地表沉降曲线对比如图4。图3 全部施工完成后地表沉降曲线图4 不同开挖步下地表沉降曲线对比由图3和图4对比分析，不同开挖方式下隧道轴线纵向地表沉降曲线可知，第一次开挖上台阶距离开挖面6 m和距离开挖面1 m的地表沉降值几乎相同，主要原因是隧道纵向的地应力没有被有效抑制，加之距离开挖面36 m的拱顶土体范围内未用小导管加固，大量的地应力被释放出来。但随着开挖进程的进行，对地层的扰动不断加强，地面的沉降值也随之增大，当隧道贯穿后马上对二次衬砌背后的位置进行有效注浆，此时出现小幅度的地表沉降值回弹。隧道施工完成后，其他部位的应力都小于拱顶，但位移量都比拱顶大，可见拱顶部位的地应力控制在整个隧道开挖过程中非常关键，因此在实际工程中应及时对拱顶做支护结构，同时对开挖面进行合理放坡，以更好地控制地应力释放引起的地表沉降。3.2 隧道横断面地表沉降槽分布分析横断面地表沉降槽的分布见图5。图5 横断面地表沉降槽的分布从图 5 分析可知，横断面地表沉降分布为中间凸起，向两边逐渐变缓，即地表沉降最大值出现在隧道正中间的顶部，离中心越远的横断面对应的沉降值越小。因此在实际隧道施工工程中，隧道中心顶部的沉降值通常被作为评估隧道地表沉降情况、围岩稳定、地层稳定和隧道稳定的指标。3.3 有限元模拟通过有限元软件模拟隧道中轴线上距离开挖面5 m的地表沉降情况，得到对应的沉降曲线，结果如图 6所示。图6 隧道中轴线上距离开挖面5m地表沉降情况从图6分析可知，未开挖之前地表发生沉降，由于采取小导管注浆后，地表出现了很小的隆起；接着地147总651期2023年第21期（7月 下）表急剧下降约22 mm，是由于上台阶开挖造成的，上层初期支护加锚杆注浆，使地表又出现了较小的回升；随着开挖工程的进行，地表陆续出现沉降，直至下台阶施工完成后地表又出现大幅度沉降，随后及时进行下台阶支护和锚杆注浆，地表又开始出现较小的回弹；最后进行二次衬砌后的缝隙注浆，地表进一步回弹，隧道结构慢慢处于稳定状态，地表沉降也逐渐趋于稳定。因此可认为及时对隧道进行支护对地表沉降的影响很大。分析实际工程施工过程中收集到的地表沉降数值，与有限元软件ABAQUS模型中计算得到的距离开挖面5m处的节点FAC86沉降U3方向在隧道中心轴正上方开挖过程中的累计沉降值进行对比，结果如图7所示。图7 地表沉降监测值与模拟值对比从图7分析可知，超前小导管注浆后实际收集到的地表隆起约为 1.0 mm，模拟值试验中的隆起约为 1.50mm，大于模拟值，但是变化趋势基本相同；实际开挖至上台阶初期支护完成后观测点FAC86的沉降值约为20.18 mm，上台阶初期支护完成后，地表出现轻微的回弹，后面的开挖造成的沉降累计值为24.03 mm，而有限元软件模拟得到上台阶初期支护完成后地表累计沉降值约为22.79 mm，在初期支护完成后，地表出现了轻微的回弹，后面的开外造成的沉降累计值为 26.01mm，实际监测值和模拟值相差 1.98 mm，主要原因是考虑软件模拟过程中模型的土体地应力释放和扰动造成的沉降在理论上就是大于实际工程收集到的数值，在这个阶段中地表沉降的模拟数值和监测数值的走势几乎相同；实际开挖至下台阶初期支护完成后观测点FAC86的模拟累计沉降值约 39.02 mm，实际监测得到的地表沉降累计值为 25.65 mm，监测值小于模拟值13.37 mm，主要原因是考虑软件模拟过程中模型的土体地应力释放和扰动造成的沉降在理论上就是大于实际工程收集到的数值，在这个阶段中地表沉降的模拟数值和监测数值的走势几乎相同；二次衬砌完成以后实际监测得到的沉降累计值为-25.96 mm，数值模拟得到的沉降累计值为-36.84 mm。实际监测值小于模拟值12.88 mm，在这个阶段中地表沉降的模拟数值和监测数值的走势几乎相同。4 结论本文为研究地铁隧道浅埋暗挖沉降模拟过程，基于实际工程，采用有限元软件ABAQUS对各开挖步下地表沉降进行数值模拟分析和实际监测比较，研究结果表明：在实际地铁隧道浅埋暗挖施工过程中，需要提前合理确定出上下台阶的放坡坡度值；使用正确的刚度和长度的超前小导管注浆工艺，合理利用斜坡土体，特别是在地质条件较差的施工环境中，可以优先考虑使用环形开挖预留核心土法，提高开挖面的稳定性和安全性；地表沉降最大值出现在隧道正中间的顶部，离中心越远的横断面对应的沉降值越来越小；选择正确的支护结构和方式对开挖后的隧道地表沉降产生较大的影响；从工程质量和工程的经济性考虑，在对地表沉降控制过程中不能单一控制某种因素，应对不同开挖步下对应的沉降程度采取不同的土体加固，以达到安全、稳定、经济性高的施工要求。参考文献：1 姚宣德.浅埋暗挖法城市隧道及地下工程施工风险分析与评估D.北京：北京交通大学，2009.2 刘毅.地铁隧道开挖对建筑结构沉降控制标准研究D.成都：西南交通大学，2009.3 段宝福，宋立坤，周鑫明，等.浅埋暗挖地铁隧道地表沉降研究现状J.现代隧道技术，2017，54（4）：25-32.4 蒋博林.浅埋暗挖地铁隧道施工安全性和风险分析研究D.重庆：重庆交通大学，2011.5 姚宁波.地铁施工对繁华街区商业氛围的影响评价研究D.杭州：浙江大学，2016.6 苏洁，张顶立，牛晓凯.北京地铁隧道暗挖法施工地层变形规律研究J.市政技术，2010，28（5）：82-85，102.7 任建喜，张引合，高丙丽，等.浅埋暗挖地铁隧道施工方案 FLAC 优化分析J.西安科技大学学报，2011，31（2）：157-162.8 张乐.地铁隧道施工地表沉降预测模型及实证研究D.武汉：华中科技大学，2011.9 钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算M.北京：北京中国水利水电出版社，1996.148