谷振偉 丁海濱

摘 要：城市地鐵隧道施工擾動了周圍的圍巖，必然會造成地層的變形，并且在不同的施工條件下變形量也不一樣。淺埋隧道由于其上面的覆土厚度小，在受到較大的擾動如果沒有做好防護(hù)措施可能會產(chǎn)生很大的沉降，造成嚴(yán)重的后果。本文主要是通過采用ABAQUS有限元軟件，模擬地鐵隧道開挖過程中土層的變形規(guī)律，主要是對地層的豎向位移、水平位移及圍巖的隆起做了計算分析，并簡述了應(yīng)當(dāng)采取的措施。

關(guān) 鍵 詞：隧道、淺埋暗挖、地層沉降、圍巖隆起

1 引言

地鐵隧道在開挖過程中不可避免的會導(dǎo)致土體的擾動，為了能夠有效的預(yù)防和減少由于隧道施工引起的地表沉降和變形產(chǎn)生的不良的影響，有必要對地層的變形規(guī)律進(jìn)行研究。

城市地鐵隧道在施工過程中地層變形發(fā)生的主要原因是施工過程中導(dǎo)致了地層的損失或者受剪切破壞的重塑土的在固結(jié)所造成的。隧道周圍土體在彌補(bǔ)地層損失中，發(fā)生地層移動，從而引起地表沉降。還有一種情況是，在含水地層中進(jìn)行隧道施工時可能會引起周圍土體內(nèi)部的空隙水壓力變化，從而使地層發(fā)生排水固結(jié)沉降。所以在施工過程中禁止抽排地下水。

2 工程概況

青島某地鐵隧道采用暗挖法施工，地鐵隧道的最小埋深只有6.2m，屬于淺埋隧道。隧道的襯砌由初期支護(hù)和二次襯砌組成的復(fù)合式襯砌。隧道所處的圍巖按Ⅲ～Ⅴ級圍巖，隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)的系統(tǒng)錨桿注漿厚度為4m。隧道的初期支護(hù)、臨時初期支護(hù)和二次襯砌采用鋼筋混凝土材料。

土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

3 建模分析

本文采用ABAQUS建模分析，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖采用實體單元來進(jìn)行建模分析；模型的尺寸根據(jù)開挖的影響范圍取為：長 90m，寬 90m，高 50m。

計算模型的單元類型為三維8節(jié)點減縮積分實體單元（C3D8R）；襯砌結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土材料中沒有對鋼筋模擬，只是通過改變了材料彈性模量來考慮鋼筋的存在；初期支護(hù)厚度取30cm，二次襯砌取60cm，在隧道仰拱處的二次襯砌設(shè)計時稍厚一點，但為了簡化模型計算厚度也取60cm。模型計算的邊界條件為：底面為固定約束，四個側(cè)面設(shè)置法向的約束，上表面為自由面。

4 計算結(jié)果與分析

對于淺埋暗挖的地鐵隧道的施工，位移的考慮主要是開挖后圍巖巖體的豎向位移的大小，但也應(yīng)適當(dāng)?shù)乜紤]水平位移的大小。本文對豎向位移與水平位移進(jìn)行了計算與分析，同時對圍巖的隆起做了簡單的分析，并且在模擬的過程中考慮施工風(fēng)道時兩者的變化情況。

1、 豎向位移計算與分析

根據(jù)對隧道開挖過程的模擬得出圖1的豎向位移與隆起的變化圖示。

從圖1可以看出，隧道剛開始開挖時，圍巖的最大沉降值和最大隆起值增勢都比較明顯，在風(fēng)道開挖的過程中兩者基本處于持平的狀態(tài)；當(dāng)進(jìn)行主體開挖時，圍巖的沉降值和隆起值都開始迅速的增長。

2、 水平向位移計算與分析

根據(jù)對隧道開挖過程的模擬得出圖2的豎向位移與隆起的變化圖示。

由圖7可知，隧道開始開挖時，圍巖的最大水平收斂值增加的比較明顯，在風(fēng)道開挖的過程中基本保持持平狀態(tài)；隨著主體結(jié)構(gòu)的開挖，水平的最大正位移在不斷增加，最大負(fù)位移基本趨于于不變，凈空最大收斂值也處于上升的趨勢。

5 結(jié) 論

地鐵隧道在剛開始開挖以及在開始主體結(jié)構(gòu)開挖時圍巖的豎向位移及橫向位移和圍巖的隆起都發(fā)生急劇的變化，圍巖在此時容易受到擾動，甚至引起地面大范圍沉降，因此在這兩個階段應(yīng)做好相應(yīng)的防護(hù)措施。

由于在開始進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)開挖時圍巖的位移和隆起變形會產(chǎn)生急劇的變化，所以在保證工作面穩(wěn)定正常開挖的條件下，應(yīng)盡量的保證或限制地下水的抽排。

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