李 濤，嵇長(zhǎng)民，冀文歡，張文強(qiáng)，龔文波，萬(wàn) 燁

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

地鐵隧道暗挖施工地表沉降模擬分析

李 濤，嵇長(zhǎng)民，冀文歡，張文強(qiáng)，龔文波，萬(wàn) 燁

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

淺埋暗挖法施工往往會(huì)引起不同程度的地表沉降，如何正確預(yù)測(cè)沉降值對(duì)地鐵施工安全具有重要意義。本文以北京地鐵6號(hào)線某區(qū)間工程為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際量測(cè)數(shù)據(jù)和FLAC3D的數(shù)值模擬對(duì)淺埋暗挖隧道施工引起的地表沉降進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)果表明:FLAC3D的數(shù)值模擬結(jié)果與地表沉降實(shí)測(cè)值相近，地表沉降會(huì)經(jīng)歷微小變形、急劇變形、緩慢變形至穩(wěn)定3個(gè)階段，其中，沉降主要發(fā)生在開(kāi)挖面通過(guò)階段，合理的數(shù)值模擬計(jì)算能夠大致預(yù)測(cè)施工引起的沉降，并以數(shù)值模擬結(jié)果為類似工程提供指導(dǎo)和建議。

淺埋暗挖;地鐵隧道;數(shù)值模擬;地表沉降

0 引言

預(yù)測(cè)地鐵隧道施工沉降影響的方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、隨機(jī)介質(zhì)理論法、彈塑黏性理論解析法、數(shù)值方法 (有限元法、邊界元法、有限差分法、數(shù)值半解析法)等［1］。目前，完全使用一種方法去預(yù)測(cè)施工引起的地表沉降尚有困難，而結(jié)合實(shí)際量測(cè)的預(yù)測(cè)，能夠不斷優(yōu)化預(yù)測(cè)誤差，使結(jié)果更趨于實(shí)際。針對(duì)地鐵隧道施工引起的沉降問(wèn)題，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究:1969年，Peck提出了預(yù)估地表下沉的方法，即Peck公式;劉波等［2］基于沉降預(yù)測(cè)理論及FLAC3D進(jìn)行了地鐵施工誘發(fā)地層環(huán)境損傷評(píng)估與控制設(shè)計(jì)STEAD系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，以廣州地鐵區(qū)間隧道下穿某7層框架結(jié)構(gòu)建筑為例，采用數(shù)值模擬研究了地鐵盾構(gòu)隧道穿越建筑基礎(chǔ)誘發(fā)地層變形的空間效應(yīng)問(wèn)題，考慮了不同工況下隧道施工引起地層沉降對(duì)該建筑物的影響;張彌等［3］開(kāi)發(fā)出預(yù)計(jì)隧道施工后的地表沉降的系統(tǒng);齊震明等［4］通過(guò)研究地鐵區(qū)間淺埋暗挖隧道地表沉降值的分布規(guī)律和地表沉降槽寬度參數(shù)反彎點(diǎn)距離、地層損失率的一般特征，給出了地表沉降槽曲線反彎點(diǎn)距離與等效軸向埋深的關(guān)系;范文興［5］針對(duì)地面建筑物沉降和地表沉降變形的不同要求對(duì)沉降控制問(wèn)題作出分析，給出了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。

隧道開(kāi)挖過(guò)程中，預(yù)測(cè)其開(kāi)挖前、中、后的沉降變化情況，對(duì)于施工的進(jìn)行有指導(dǎo)性意義。本文以北京地鐵6號(hào)線西延工程02標(biāo)9 km+750 m～9 km+840 m的右線隧道為實(shí)例，采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，不斷優(yōu)化相應(yīng)的模擬參數(shù)，對(duì)后續(xù)施工隧道的地表變形情況作出合理的預(yù)測(cè)，為注漿等加固措施提供實(shí)施的時(shí)機(jī)與范圍，進(jìn)而保證地表沉降在合理范圍以內(nèi)。

1工程概況及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

所選隧道工程位于北京地鐵6號(hào)線西延工程02標(biāo)區(qū)間，沿東西走向，所選線路長(zhǎng)度為90 m，土體主要分為3層:人工堆積層、新近沉積層和第四紀(jì)沉積層，從地面到隧道所在標(biāo)高主要為填土、砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土和粘土等。

地鐵隧道施工采用淺埋暗挖法，初襯為20 cm厚C25的噴射混凝土，二襯根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的沉降及收斂監(jiān)測(cè)來(lái)確定其尺寸和施設(shè)時(shí)間。

1.1 測(cè)點(diǎn)布置

水準(zhǔn)點(diǎn)布置在隧道施工影響范圍以外，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置如圖1所示，各個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于隧道軸線在地表的投影線上。在所研究區(qū)段實(shí)際工程施工過(guò)程中，設(shè)置了DB-05-25、DB-05-26、DB-05-27三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)［6］。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)

從完成隧道的橫向通道，向西開(kāi)始開(kāi)挖隧道開(kāi)始，在所研究路線施工的兩個(gè)月里，其地表沉降監(jiān)測(cè)累計(jì)值如圖2所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形速率見(jiàn)圖3。

可知，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表沉降均在6 mm以內(nèi)，小于區(qū)間地表沉降允許位移控制值30 mm;位移變形速率也小于控制值2 mm/d，隧道的施工過(guò)程安全，并且未對(duì)地面建筑物、道路等造成較大影響。

在圖2中，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的起始沉降值都不是從0開(kāi)始，這部分沉降主要是由于橫向通道的開(kāi)挖引起的，與隧道的開(kāi)挖無(wú)關(guān);另一方面，各個(gè)測(cè)點(diǎn)并不是一直表現(xiàn)為下沉，而是反復(fù)“下沉—隆起”的過(guò)程，這主要跟初次支護(hù)完成前的預(yù)加固、以及初次支護(hù)完成后的注漿加固有關(guān)。

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算基本原理

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Situation of themonitoring points

圖2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量Fig.2 Settlement of every monitoring point

圖3 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率Fig.3 Settlement speed of every monitoring point

FLAC3D采用有限差分法［7］，在求解偏微分方程時(shí)，將每一處的導(dǎo)數(shù)由有限差分近似公式代替，從而把求解偏微分方程的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成求解代數(shù)方程的問(wèn)題，其求解步驟如下:1)區(qū)域離散化，將偏微分方程的求解區(qū)域細(xì)分成由有限個(gè)格點(diǎn)組成的網(wǎng)格;2)近似替代，采用有限差分公式代替每一個(gè)格點(diǎn)的導(dǎo)數(shù);3)逼近求解，用插值的方法得到近似解。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)及土體的模擬

本文采用FLAC3D對(duì)隧道開(kāi)挖前、中、后的沉降值進(jìn)行模擬。模型巖土體采用的是摩爾－庫(kù)倫模型，支護(hù)采用柱狀殼體cshell進(jìn)行模擬，分別賦予相應(yīng)的強(qiáng)度和尺寸參數(shù);對(duì)于土體，由于隧道處于第四紀(jì)軟弱堆積地層中，不考慮構(gòu)造應(yīng)力，只考慮其自重應(yīng)力。地表的沉降主要來(lái)自兩個(gè)方面:一是隧道開(kāi)挖及施工擾動(dòng)造成的沉降;二是工程降水引起的沉降。由于本工程的地下水位在地表20 m以下，故在數(shù)值模擬過(guò)程中不考慮地下水的作用，同時(shí)對(duì)于雙線隧道只對(duì)右線進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，其模型如圖4所示。

對(duì)于土層信息，參考巖土勘察報(bào)告進(jìn)行相應(yīng)的合理簡(jiǎn)化，具體的土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3 隧道開(kāi)挖過(guò)程的三維數(shù)值模擬分析

根據(jù)實(shí)際的施工開(kāi)挖進(jìn)程，采用全斷面開(kāi)挖，每次開(kāi)挖進(jìn)深為3 m，然后完成相應(yīng)的支護(hù)。進(jìn)行計(jì)算，然后開(kāi)挖下一段，循環(huán)開(kāi)挖10次。開(kāi)挖過(guò)程中的不平衡力發(fā)展過(guò)程如圖5所示，可見(jiàn)每次開(kāi)挖后，支護(hù)都能滿足需要，模型計(jì)算能夠收斂。

圖4 計(jì)算模型Fig.4 Domain for FLAC3Dsimulation model

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

圖5 最大不平衡力變化圖Fig.5 Tendency ofmax unbalanced force

坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在起始開(kāi)挖面處，沿垂直隧道方向設(shè)置的3個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在開(kāi)挖到30 m處后，其沉降監(jiān)測(cè)值都達(dá)到了收斂，設(shè)置在y=5 m處的3個(gè)橫向測(cè)點(diǎn)的沉降記錄如圖6所示。

可知，最大的地表沉降發(fā)生在隧道中軸線處，為3 mm;在距離隧道軸向10 m處，最大沉降為0.7 mm;而在距離隧道軸向20 m處，最大沉降為0.045 mm;僅有軸線最大沉降3.0 mm的3/200。因此，可認(rèn)為此隧道開(kāi)挖時(shí)，最大沉降一般發(fā)生在軸線處，橫向影響范圍為軸線20 m范圍以內(nèi)，沉降影響范圍基本符合Peck經(jīng)驗(yàn)公式沉降槽斷面分布規(guī)律［8］。在以下分析中，主要是針對(duì)中軸線所在的豎向面。沉降曲線上有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，距離開(kāi)挖面越遠(yuǎn)，這種轉(zhuǎn)折越明顯，這主要是因?yàn)槟M開(kāi)挖時(shí)，開(kāi)挖面卸載，失去水平向的作用力，導(dǎo)致應(yīng)力重分布，進(jìn)而導(dǎo)致此位置地表沉降變化較快。同時(shí)對(duì)比圖2可發(fā)現(xiàn)，在數(shù)值計(jì)算時(shí)，該點(diǎn)的計(jì)算沉降值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值的變化過(guò)程是有區(qū)別的，計(jì)算得到的曲線呈現(xiàn)一直下沉的趨勢(shì)，而監(jiān)測(cè)實(shí)踐中，是“上升—下沉”反復(fù)的過(guò)程，但計(jì)算得到的曲線最終和監(jiān)測(cè)曲線相類似，都逐漸趨于平穩(wěn)，達(dá)到沉降穩(wěn)定值。

在開(kāi)挖3次，即計(jì)算步數(shù)大約為24 300步后，在點(diǎn)(0，5，0)后開(kāi)挖引起的沉降值不足0.5 mm，后續(xù)的施工對(duì)于該測(cè)點(diǎn)的地表沉降影響相對(duì)不大，即距離開(kāi)挖面15 m的位置處，地表沉降由緩慢變形逐漸過(guò)渡到穩(wěn)定狀態(tài)［10］。因此，在開(kāi)挖面通過(guò)15 m后，可適當(dāng)減少監(jiān)測(cè)的頻率。同樣，在圖2中可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)DB-05-25在測(cè)量的第30 d之后，雖然存在小幅度波動(dòng)，但沉降的數(shù)值基本穩(wěn)定在4.5～5.0mm。在圖3中，后期日沉降速率基本在0附近，即開(kāi)挖面通過(guò)一段距離后，地表沉降會(huì)逐漸達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值附近。

圖6 點(diǎn)(0，5，0)(a)、(10，5，0)(b)、(20，5，0)(c)處的沉降值Fig.6 Settlement of point(0，5，0)(a)，(10，5，0)(b)and(20，5，0)(c)

開(kāi)挖前3 m以及開(kāi)挖到30 m處時(shí)，土體網(wǎng)格的豎向位移如圖7所示。

圖7 Z方向位移Fig.7 Settlement of axis Z

可知，地表的最大沉降在6～8 mm，其中，在開(kāi)挖起始位置附近，Z方向位移偏小，這是由于模型固定邊界的原因，在模型的中間位置，其沉降就比較有代表性。

由在(0，25，0)處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的記錄值(圖8)可知，地表的沉降在6 mm左右。而在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，地表的最大沉降不足6 mm，比數(shù)值模擬計(jì)算的略小，這主要與數(shù)值模擬時(shí)未考慮注漿、超前支護(hù)等加固措施有關(guān)，不過(guò)，兩者差距并不大，因此，此次的數(shù)值模擬過(guò)程是有效的，在今后隧道施工過(guò)程中，對(duì)于預(yù)測(cè)地表的沉降具有一定參考價(jià)值。同時(shí)，在圖7b中，可發(fā)現(xiàn)明顯的表示位移值較大的藍(lán)色區(qū)域，如前文所述，主要跟開(kāi)挖面沒(méi)有設(shè)置相應(yīng)的支護(hù)有關(guān)，對(duì)土體擾動(dòng)最大，使得此處土體的豎向位移最大，因此在實(shí)際施工過(guò)程中，應(yīng)盡量減少無(wú)支護(hù)空間，以減小地表沉降。

圖8 開(kāi)挖24～27 m時(shí)點(diǎn)(0，25，0)處監(jiān)測(cè)值Fig.8 Monitoring settlement values of24 to 27 m (0，25，0)in excavation

研究開(kāi)挖面影響的前后范圍，對(duì)于指導(dǎo)施工，所影響范圍的預(yù)加固、注漿以及測(cè)量頻率等具有重要意義。選取開(kāi)挖到不同位置時(shí)，通過(guò)幾個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的沉降記錄采樣圖，對(duì)由施工引起的前后影響范圍進(jìn)行說(shuō)明。

在開(kāi)挖24～27 m階段時(shí)，開(kāi)挖面通過(guò)設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)(0，25，0)，對(duì)應(yīng)的階段大約為計(jì)算步數(shù)54 000～60 000步。由圖8可知，此階段該測(cè)點(diǎn)的沉降值變化較大，處于急劇變形階段，即地表的沉降主要發(fā)生在開(kāi)挖面通過(guò)的時(shí)候，在此階段應(yīng)適當(dāng)增加監(jiān)測(cè)頻率，保證施工安全。在隧道開(kāi)挖面及附近區(qū)域，施工極大地改變了臨近地層的初始應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致應(yīng)力重分布，之前的平衡狀態(tài)被打破，土體產(chǎn)生位移，以此重新達(dá)到平衡狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程就導(dǎo)致了地表的沉降。

開(kāi)挖0～3 m處時(shí)，對(duì)于設(shè)置在(0，25，0)處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其Z方向位移值隨計(jì)算步數(shù)的變化見(jiàn)圖9。此處沉降值為0.016 mm，前3 m的開(kāi)挖對(duì)此處基本沒(méi)有影響，處于微小變形階段。因此在實(shí)際測(cè)量中，對(duì)于開(kāi)挖面以前20 m以外的沉降值監(jiān)測(cè)頻率可以適當(dāng)減少。

圖9 開(kāi)挖0～3 m時(shí)點(diǎn)(0，25，0)處監(jiān)測(cè)值Fig.9 Monitoring settlement values of 0 to 3 m (0，25，0)in excavation

對(duì)于其他數(shù)值模擬軟件，姚明會(huì)［9］使用ANSYS對(duì)廣州地鐵2號(hào)線某區(qū)間進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并對(duì)施工步驟對(duì)于地表沉降產(chǎn)生的沉降進(jìn)行討論，最后與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，合理的施工步驟能有效控制地表沉降。

3 結(jié)論與討論

淺埋暗挖隧道導(dǎo)致的地表沉降會(huì)經(jīng)歷微小變形、急劇變形、緩慢變形至穩(wěn)定3個(gè)階段，其中，沉降主要發(fā)生在開(kāi)挖面通過(guò)階段。工作面無(wú)支護(hù)空間是造成地表沉降的重要因素，在施工中應(yīng)盡量減少無(wú)支護(hù)空間，并施作超前支護(hù)結(jié)構(gòu)，限制上覆地層的變形和移動(dòng)。數(shù)值模擬結(jié)果與地表沉降實(shí)測(cè)值相近，對(duì)地表沉降作出了正確的預(yù)測(cè)，對(duì)類似工程的施工有重要的借鑒意義。

［1］陶龍光，劉波，侯公羽．城市地下工程［M］．2版．北京:科學(xué)出版社，2011．

［2］劉波，陶龍光，李希平，等．地鐵盾構(gòu)隧道下穿建筑基礎(chǔ)誘發(fā)地層變形研究［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2 (4):621－626．

［3］張彌，潘杰梁．預(yù)測(cè)盾構(gòu)開(kāi)挖引起的地面沉陷的專家系統(tǒng)［J］．都市快軌交通，1990(3):18－21，40．

［4］齊震明，李鵬飛．地鐵區(qū)間淺埋暗挖隧道地表沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)［J］．北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，34(3):117－121．

［5］范文興．淺埋暗挖地鐵隧道沉降控制與分析［J］．市政技術(shù)，2006，24(6):398－401，412．

［6］崔希民．測(cè)量學(xué)教程 ［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，2009．

［7］劉波，韓彥輝．FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南［M］．北京:人民交通出版社，2005．

［8］陽(yáng)軍生，劉寶?。鞘兴淼朗┕ひ鸬牡乇硪苿?dòng)及變形［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2002．

［9］姚明會(huì)．淺埋暗挖大跨度地鐵隧道地表沉降分析［D］．上海:同濟(jì)大學(xué)，2007．

Ground settlement caused by the excavation ofm ined subway tunnel

LITao，JIChang-min，JIWen-huan，ZHANGWen-qiang，GONGWen-bo，WAN Ye
(School of Mechanic＆Civil Engineering，China University of Mining＆Technology，Beijing 100083，China)

Tunnel constructed by shallow tunnelingmethod would cause settlementmore or less，so how to predict the amountof settlementmeans a lot to the construction．Based on the situmeasurementand numerical simulation via FLAC3D，this article takes 6th line of Beijing subway for example，using FLAC3Dto calculate the ground settlement caused by the shallow tunnelingmethod．The result shows that the simulation is similar to the value wemeasured，and the settlement can be divided into three stages，whilemost settlement occurswhen the excavation face overpasses．Reasonable simulation can approximately predict the settlement and provide advice for similar excavation．

shallow-buried excavation;subway tunnel;numerical simulation;ground settlement

U459.1;P224.1;TB115.7

:A

2015－05－16

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目 (U1261212);國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目 (51508556);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目 (2009QL02);北京高等學(xué)校青年英才計(jì)劃項(xiàng)目 (YETP0944)

李 濤 (1981—)，男，博士，副教授，研究方向:隧道工程、深基坑工程，Jichangmin@126.com。

李濤，嵇長(zhǎng)民，冀文歡，等．地鐵隧道暗挖施工地表沉降模擬分析 ［J］．桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36(4): 738－742．

1674－9057(2016)04－0738－05

10.3969/j．issn.1674－9057.2016.04.015