柴桂明

（中鐵十八局集團公司 天津）

一、引言

隧道開挖過程中，由二次應力場造成的地層變形，會逐漸傳遞到地表，從而導致地表沉降。即使相同的結構斷面形式，采用不同的施工法施工，引起的地層變形和地表沉降是不同的。對長春地鐵1號線解放大路站1號線與2號線交叉的單層結構采用的3連拱雙柱結構形式，從理論上分析其采用中洞法和側洞法施工引起的地表沉降規(guī)律和大小。

借助商用有限差分軟件FLAC3D，模擬分析了1號線與2號線交叉的單層結構施工過程，對比中洞法和側洞法2種工況下地層沉降規(guī)律和大小。為保證理論分析的準確性，2種工法的分析計算采用完全相同結構斷面形式、埋深、地質參數(shù)、邊界條件、初期支護結構參數(shù)等。

1.模型基本假定及建模說明

表1 土層和計算參數(shù)表

地層材料采用摩爾-庫侖準則、大應變變形模型計算。假定地表和各土層均成層均質水平分布，土層參數(shù)見表1。地層和材料的應力應變均在彈塑性范圍內變化。初始應力按照將模型材料取為彈性材料（不設置粘聚力和內摩擦角），運行平衡然后將材料換為摩爾-庫倫材料再運行平衡獲得。不考慮地下水在開挖過程中的影響。計算建模時，對洞周及關心的部位加密網(wǎng)格剖分。管棚作為安全儲備，在計算中不予考慮。

圖1 側洞法模型

2.側洞法地表沉降規(guī)律研究

（1）建模（圖1、圖2）。根據(jù)圣維南原理和實際計算的需要，模型幾何尺寸設定為60×15×40 m（長×寬×高）。模型上表面為自由面，對其他5個表面的法向位移進行約束。

（2）地表沉降規(guī)律研究。

①側洞法施工步序（表2）。將各洞編號（編號圖略），按表2施工步驟操作。

圖2 側洞法模型網(wǎng)格

②側洞法開挖過程沉降槽變化曲線及規(guī)律

圖3 施工各階段沉降槽曲線

圖4 側洞法各部沉降組合

從側洞法施工過程地表沉降槽變化圖和地表沉降曲線可知，側洞法初次開挖1號洞引起的地表沉降較小，只有4.62 mm，隨著1號洞室支護的建立，地層沉降率逐漸下降。3號洞開挖后，3號洞的開挖造成地表沉降速率加大，這是由于側洞豎向隔壁沒有完全封閉形成受力結構的原因。隨著側洞開挖形成穩(wěn)定的支護體系，地層變形逐步穩(wěn)定。中洞上臺階開挖，地表沉降增量逐漸增大達36.38 mm，這是由于側洞穩(wěn)定后，中洞開挖但支護沒有建立的原因，造成地表沉降變化量過大，隨著中洞支護體系的建立地層沉降趨于穩(wěn)定。

3.中洞法地表沉降規(guī)律研究

（1）建模。中洞法模型網(wǎng)格劃分如圖6和圖7所示。

（2）地表沉降規(guī)律研究。

①中洞法施工步序（表4）。將各洞編號（編號圖略），按表4施工步驟操作。

②中洞法開挖過程沉降槽變化曲線及規(guī)律。

表2 側洞法施工步序

表3 各階段地表沉降量占全部沉降量比

圖5 側洞法最終沉降圖

圖6 中洞法模型

從中洞法施工過程地表沉降槽變化圖及地表沉降曲線可知，中洞法初次開挖1號洞引起的地表沉降較小，只有4.42 mm，隨著1號洞室支護的建立，地層沉降率逐漸下降。3號洞開挖后，3號洞的開挖造成地表沉降速率加大，這是由于中洞豎向隔壁沒有完全封閉形成受力結構的原因。隨著中洞開挖形成穩(wěn)定的支護體系，地層變形逐步穩(wěn)定。側洞7號洞室開挖，地表沉降增量逐漸增大達31.2 mm，這是由于中洞穩(wěn)定后，側洞開挖但支護沒有建立的原因，造成地表沉降變化量過大，隨著側洞支護體系的建立地層沉降趨于穩(wěn)定。

圖7 中洞法模型網(wǎng)格

4.中洞法和側洞法地層沉降對比分析

從中洞法與側洞法地表沉降對比曲線可以看出，測洞法施工地表沉降小于中洞法施工引起的地表沉降，這是由于采用中洞法施工時，中洞上方土體經(jīng)受多次擾動，形成危及中洞的上小下大的梯形、三角形，土體直接壓在中洞上，中洞施工若不夠謹慎就可能發(fā)生坍塌。采用該工法施工引起的地面沉降較大，而側洞法則不會出現(xiàn)這種情況。

表5 各階段地表沉降量占全部沉降量比

圖8 施工各階段沉降槽曲線

圖9 中洞法施工完成沉降云圖

圖10 中洞法地表沉降曲線

總結從整個施工過程來看，可以把各個工法的開挖順序分為中部開挖和側部開挖2個階段。中洞法中部開挖引起的地表沉降約占總沉降的55.79%，側部開挖引起的地表沉降約占總沉降的44.21%；側洞法側部開挖引起的地表沉降約占總沉降的60.32%，中部開挖引起的地表沉降約占總沉降的39.68%。對于各工法第1階段的沉降量都大于第2階段，即使是第2階段的土方開挖量明顯大于第1階段的柱洞法，其第1階段沉降量仍然大于第2階段。這說明第1階段開挖后大剛度的支護和傳力體系的建立可以減小開挖對土體的擾動。從減小地表沉降的目的出發(fā)，應該盡快完成第1階段的洞形，從而可以盡早形成穩(wěn)定的支護結構，有效控制地層沉降。第1階段開挖完成后，應加強觀測，對地層進行超前支護，合理安排施工步序，以降低第2階段初次開挖引起的地表沉降。

圖11 側洞法與中洞法地表沉降對比曲線