复杂环境下暗挖隧道穿越富水砂层的地表沉降分析

　　[摘要]基于某地铁隧道工程，采用有限元分析法，对复杂环境下暗挖隧道穿越富水砂层的地表沉降进行了研究。结果表明，隧道开挖纵向中轴线地表沉降表明，在一定程度上，开挖面的放坡对减少地应力的释放，维持开挖面的稳定具有一定作用。在重力方向，支护结构能对围岩刚度抑制地层变形进行很好的弥补，在即将完成贯通时，纵向地应力值在上台阶较小。

　　地表沉降值在隧道中心轴线正上方最大，在横断面上，距离中心轴线越远，沉降值越小。在完成初期支护结构施加后，地表后续沉降较小，在进行二次衬砌施加后，地表沉降值趋于稳定。在开挖前地表沉降值为0，在地表观测点，从完成正下方下台阶开挖到完成初期支护，地表出现25.42mm的沉降，在完成二次衬砌时，累计沉降为26.15mm。

　　[关键词]地表沉降,隧道,应力释放,有限元

　　近年来，随着我国城镇化的进一步发展，在大中城市，为缓解交通压力，进行隧道等地下空间建设[1]。在进行隧道施工时，常常会造成地表变形，变形过大会造成邻近构筑物的破坏[2]。在隧道埋深较小时，因其上覆土层使完整土拱无法形成，因而具有较低的自承能力，沉降可迅速从隧道拱顶向地表发展，控制沉降非常困难[3]。

　　在我国，浅埋暗挖法在城市浅埋隧道建设中应用广泛[4]，该方法对周围土体的自承能力进行了考虑[5]。为将对周围土体的扰动减少，该方法提出严注浆、管超前、强支护、短开挖、勤量测、快封闭等要求[6]。影响地表沉降的因素较多，具有明显地域特性，与土质状况、具体开挖方法、地下水渗流影响程度等具有密切关联[7]。

　　在城市隧道建设中，地表沉降控制是难点[8]。有学者基于大量浅埋暗挖隧道工程的实测数据，对地质条件和覆土厚度对地表沉降的影响进行了研究，并采取有限元软件进行了模拟分析[9];有研究者对CRD法、双侧壁导坑法、CD法对地表沉降影响进行了分析研究[10];有学者对掌子面范围内，断层带和混合地层类型对地表沉降的影响进行了研究;有研究者对最大地表沉降量和浅埋暗挖隧道超前管棚支护参数的关系进行了研究。但目前对富水地层大跨度隧道施工地表沉降的研究较少，本文基于某地铁隧道工程，采用有限元分析法，对复杂环境下暗挖隧道穿越富水砂层的地表沉降进行了研究。

　　1工程概况

　　本工程为福州某地铁隧道建设项目，该工程从A站到G站的地铁隧道属于浅埋暗挖区间。在右线区间，隧道长度为1025.13m;在左线区间，隧道长度为1027.21m。本区间正线线间距为9.5～16.2m，隧道覆土厚度为32.8～48.7m，隧道轨面埋深为37.66～53.74m。区间隧道采用台阶法进行施工，在本区间，设置有施工竖井一座，横通道兼作联络通道。该地铁地下管网密布，地表建筑较多，本研究选取A站到G站的左线横通道段，在对该段隧道进行开挖后，主要处于微风化花岗岩的上部，在隧道洞身，主要穿过中等风化花岗岩、微风化花岗岩、散体状强风化花岗岩、破碎状强风化花岗岩等。

　　2隧道开挖及支护结构

　　先进行矿山法隧道竖井的施工，在完成竖井施工后，对横通道进行施工，通过横通道，向两侧车站分别开辟4个工作面，同时组织进行施工，按照围岩特点，采用台阶法进行施工。在正线隧道结构中，支护形式全部采用复合式衬砌。A站到G站的左线横通道段围岩等级为5级，结构施工采用C型断面进行。

　　3监测点布置

　　在隧道沿线纵向中轴线正上方，对地表监测点进行布置，当遇到地表既有建筑物和设施、建筑物群聚，沿着该处横断面，在一定范围内，加密进行沉降观测点的布设。本研究选取左线围岩等级为V级，同时横断面形式为C型即马蹄形开挖段，DBC52-1为地表沉降观测点。

　　4浅埋暗挖隧道模型建立

　　4.1有限元分析程序简介

　　岩土工程的计算分析中，通常采用数值方法进行，在岩土中，通过有限元法(ABAQUS)，能够将容易的边界条件、复杂形状、几何非线性、材料物理非线性进行处理，因此在土工固结、渗流、变形、稳定分析领域应用广泛。

　　ABAQUS包括单元模型、材料模型、荷载及边界条件，能够对动力、静力等进行求解，在进行非线性问题的求解方面具有较好的效果，对岩土工程具有较好的适用性。本研究在分析隧道浅埋暗挖时，采用ABAQUS进行三维建模有限元分析。根据施工区不同围岩等级Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，断面结构分别采用A、B、C型，其中A型断面的初期支护采用钢筋网、砂浆锚杆、网喷混凝土;B型断面的初期支护采用网喷早强混凝土、砂浆锚杆、锁脚锚杆、纵向连接筋、钢架网、格栅钢架;C型断面的支护结构包括B型断面的全部初期支护结构，在开挖隧道前要进行超前小导管注浆的加固。在进行隧道开挖时，周围围岩扰动范围为4.5倍的隧道宽度范围，隧道宽度为12.9m，隧道覆土厚度为47.5m，计算模型横断面高为90.5m，宽为70.5m。

　　4.2基本假定

　　将模型土体进行简化，形成三层土，且分布均匀，上层土为素填土，中层土为散体状强风化花岗岩，下层土为微风化花岗岩，其全部为均匀分布;因工程所在区域属于沿海地区，其地质多为淤泥地质，在建立模型时将地下水渗流耦合忽略掉;施工区间覆土的深度为47.5m，将地面车辆行人等动荷载影响忽略掉;简化锚杆支护注浆和超前小导管支护注浆模型，围岩取注浆参数在注浆影响的3m范围内进行等同简化;在进行实际开挖时，面下台阶的坡度为74.5°，面上台阶的坡度为80.5°，在进行建模过程中，简化上台阶和下台阶的斜坡。

　　4.3数值模拟计算过程及结果分析

　　4.3.1数值模拟计算过程

　　本工程采用正台阶法对隧道进行开挖，隧道的纵向长度为6.5m，开挖台阶的长度为4.5m，在完成地应力的平衡计算时，开始进行第一次拱顶小导管注浆的超前加固，其中拱顶加固范围为纵向3m，120°的区域。

　　4.3.2数据结果分析

　　a.对隧道开挖纵向中轴线地表沉降进行分析。第1次开挖上台阶距洞口为1.0m后，在完成第1次上台阶1.0m的开挖后，通过对应力云图和位移云图分析可知，在施工前，虽超前对小导管进行注浆加固，并超前对开挖面围岩刚度进行补偿加固，在抑制地层变形，应对竖向地应力方面效果较好，但在较大地应力作用下，沿隧道方向进行面土体开挖时，仍然会有较大位移发生，这就造成地应力在距离开挖面一定范围内进行大量释放。

　　地表沉降值在距离开挖面1.0m时为-23.372700mm，在距离开挖面7.0m时，其值为-23.372940mm，两者的差值为0.000180mm，这也是对应力和位移云图显示结果的验证。在进行隧道浅埋暗挖时，在一定程度上，开挖面的放坡对减少地应力的释放，维持开挖面的稳定具有一定作用。第6次开挖上台阶距洞口为1.0m后，在完成第6次下台阶1.0m的开挖后，通过对应力云图和位移云图分析可知，此时隧道上台阶剩1.0m的距离即将贯通，在距离洞口上台阶7.0m的重力方向，因小导管的超前加固，使下位移较小。

　　这表明在重力方向，支护结构能对围岩刚度抑制地层变形进行很好的弥补，因垂直开挖面和支护结构无法对地应力的纵向释放进行抑制，受前期开挖造成地层的扰动，地应力已完成释放，地应力释放距离开挖面越近越多，同时开挖面也越具有较大位移，因此，纵向地应力值在上台阶即将贯通时较小。

　　在每次进行开挖时，因模型沿隧道纵向对地应力释放无有效抑制措施，上台阶在第一次开挖时距开挖面为1.0m，其沉降值与距离开挖面7.0m的地表沉降值近似相等，在前期进行小导管的加固时，范围仅为拱顶纵向3.0m区域，未加固距离开挖面3.0～7.0m的拱顶范围，开挖面纵向地应力大量释放，造成开挖后，距离洞口1.0m的开挖面沉降值和距离洞口7.0m的地层沉降值基本相同。

　　随着每次开挖对地层扰动造成地应力持续释放，地面的沉降值也在逐渐增大。在隧道贯通后，及时对二次衬砌背后进行注浆后，地表沉降值有小幅回弹出现。施工全部完成后，与其他部位相比，拱顶应力较大，位移量较小，这表明在进行开挖时，控制拱顶以上地应力的释放非常重要，因而，在实际施工过程时，对开挖面进行适当放坡，从而对隧道纵向地应力的释放进行抑制，同时及时进行支护结构的施做，由于地应力释放属于一个逐渐释放的过程，支护结构施做越及时，对地应力释放的抑制效果越好。

　　地表沉降值在隧道中心轴线正上方最大，在横断面上，距离中心轴线越远，沉降值越小，因而，在工程实际施工时，观测点主要为隧道中心正上方纵向沿线的沉降观测点，这样可将地表沉降的主要情况反应出来，同时可将隧道开挖过程围岩稳定、地层稳定性、隧道稳定情况间接反应出来。

　　5结论

　　a.隧道开挖纵向中轴线地表沉降表明，在一定程度上，开挖面的放坡对减少地应力的释放，维持开挖面的稳定具有一定作用。在重力方向，支护结构能对围岩刚度抑制地层变形进行很好地弥补，纵向地应力值在上台阶即将完成贯通时较小。

　　b.地表沉降值在隧道中心轴线正上方最大，在横断面上，距离中心轴线越远，沉降值越小。在完成初期支护结构施加后，地表具有较小的后续沉降，在进行二次衬砌施加后，地表沉降值趋于稳定。

　　c.在开挖前地表沉降值为0，在地表观测点，从完成正下方下台阶开挖到完成初期支护，地表出现25.42mm的沉降，在完成二次衬砌时，累计沉降为26.15mm。

　　[参考文献]

　　[1]李金奎，王飞飞，白会人.浅埋暗挖地铁隧道施工地表沉降规律分析[J].武汉工程大学学报，2012，34(10):58-62.

　　[2]台启民，张顶立，房倩，等.软弱破碎围岩隧道超前支护确定方法[J].岩石力学与工程学报，2016，35(1):109-118.

　　[3]台启民.暗挖交叠隧道地表沉降实测分析[J].现代隧道技术，2017，54(4):193-199.

　　[4]赵欢.城市浅埋软弱围岩地铁隧道施工引起的地表沉降及控制研究[D].重庆:重庆交通大学，2014.

　　[5]李涛，嵇长民，冀文欢，等.地铁隧道暗挖施工地表沉降模拟分析[J].桂林理工大学学报，2016，36(4):738-743.

　　[6]邹金杰，陈钢，甘鹏路，等.富水软弱地层中浅埋暗挖隧道施工地表沉降分析-以杭州紫之隧道为例[J].隧道建设，2017，37(2):141-150.

　　[7]FangQ，ZhangDL，WongNY.Shallowtunnellingmethod(STM)forsubwaystationconstructioninsoftground[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology，2012(29):10-30.

　　[8]赵菁菁，宿文姬.深圳地铁近接隧道暗挖施工地表沉降控制[J].隧道建设，2014，34(11):1055-1061.

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