胡琳

（無(wú)錫地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇無(wú)錫 214023）

地鐵區(qū)間隧道地表沉降變形機(jī)理及其規(guī)律研究

胡琳

（無(wú)錫地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇無(wú)錫 214023）

地鐵區(qū)間隧道在開(kāi)挖過(guò)程中因地質(zhì)條件復(fù)雜、隧道埋深及跨度大、覆土內(nèi)管線(xiàn)密集等原因造成地表沉降、地層移動(dòng)等工程事故屢見(jiàn)不鮮。以某地鐵區(qū)間隧道為工程依托，通過(guò)理論分析，借助peck地表沉降理論研究分析區(qū)間隧道開(kāi)挖過(guò)程中的沉降規(guī)律，得出了地表沉降的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式；借助Midas GTS數(shù)值模擬軟件選取試驗(yàn)段區(qū)間隧道，對(duì)其開(kāi)挖過(guò)程中的地表沉降規(guī)律進(jìn)行分析計(jì)算，將其變形沉降曲線(xiàn)與peck沉降理論進(jìn)行比較，得到濟(jì)南地區(qū)區(qū)間隧道開(kāi)挖過(guò)程中的地表沉降規(guī)律，指導(dǎo)工程實(shí)踐。

地鐵區(qū)間隧道；地表沉降；沉降槽；peck地表沉降理論；Midas GTS數(shù)值模擬

0　引言

隨著城市地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，因地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道埋深大、跨度寬，覆土內(nèi)管線(xiàn)密集等原因，由此造成的地鐵區(qū)間隧道范圍內(nèi)地層移動(dòng)及地表沉降，并導(dǎo)致地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。因此，亟需進(jìn)行地鐵隧道在施工過(guò)程中地表變形機(jī)理及其控制技術(shù)的相關(guān)研究。

方浩亮，遲明[1]等以青島地鐵3號(hào)線(xiàn)為工程實(shí)例，借助FLAC3D與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)地表沉降及其收斂變形進(jìn)行研究，得出了隧道地表沉降及凈空收斂的規(guī)律；朱道建，楊林德[2]等對(duì)CRD法施工所引發(fā)的地表沉降及其形成機(jī)理進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)控制沉降效果進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，得出了不同施工方法在控制地表沉降及變形方面的差異性；王璐[3]針對(duì)黃土地區(qū)地層，研究地表沉降規(guī)律分析所誘發(fā)的地表沉降原因，為類(lèi)似黃土地區(qū)隧道施工提供指導(dǎo)；張宇旭[4]借助數(shù)值分析與解析計(jì)算相結(jié)合的方法，分析研究了地面超載作用對(duì)盾構(gòu)區(qū)間隧道地表沉降的影響，并提出合理化的處理措施。

本文以某地鐵區(qū)間隧道具體礦山法標(biāo)段為依據(jù)，通過(guò)研究分析區(qū)隧道在開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降的形成機(jī)理、表現(xiàn)特性，得出區(qū)間隧道地表沉降的主要影響因素。借助Midas GTS數(shù)值模擬的方法研究隧道在開(kāi)挖過(guò)程中的地表沉降規(guī)律，并將其與地表沉降理論計(jì)算相結(jié)合，更加具體地描述試驗(yàn)段區(qū)間隧道開(kāi)挖時(shí)的沉降變化規(guī)律，指導(dǎo)工程實(shí)踐的高效進(jìn)行。

1　區(qū)間隧道地表沉降特性及作用機(jī)理分析

1.1地表沉降特性

區(qū)間隧道在開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的地表沉降一般是由圍巖逐步向地表發(fā)展的過(guò)程，同時(shí)由于土體的土拱效應(yīng)、顆粒間的摩擦阻力以及施工過(guò)程中圍巖支護(hù)所采用的支護(hù)參數(shù)及支護(hù)方法，最終形成的地表沉降是多因素綜合作用的結(jié)果。通常情況下地表沉降主要有三個(gè)特征。

（1）先期沉降：這一過(guò)程的沉降是距實(shí)際開(kāi)挖面2～3倍洞徑處前部土體開(kāi)挖對(duì)后續(xù)地層造成的擾動(dòng)反應(yīng)到地表的沉降，由于覆土厚度、孔隙含水量及土體顆粒的壓縮性能不同，地表沉降的程度也有所差異。

（2）開(kāi)挖沉降：開(kāi)挖面的土體在卸載之后，圍巖土體進(jìn)入應(yīng)力重分布階段，地表沉降量受本身松弛變形及初期支護(hù)環(huán)的閉合時(shí)間的影響。開(kāi)挖階段的地表沉降是整個(gè)區(qū)間隧道沉降的主要沉降段。

（3）滯后沉降：在圍巖支護(hù)襯砌完成后，由于混凝土襯砌徐變效應(yīng)、土體固結(jié)程度及水文地質(zhì)情況的影響，結(jié)構(gòu)襯砌及上覆土體會(huì)產(chǎn)生一定的壓縮（固結(jié)）變形，導(dǎo)致地表沉降[5]。

1.2地表沉降作用機(jī)理

區(qū)間隧道的開(kāi)挖過(guò)程是一個(gè)圍巖應(yīng)力重新分布的過(guò)程。其中應(yīng)力傳遞和變形傳遞是圍巖達(dá)到平衡狀態(tài)的前提條件。區(qū)間隧道的開(kāi)挖首先使得圍巖突然卸載，引起圍巖周?chē)鷥?nèi)部應(yīng)力的急劇變化，應(yīng)力在達(dá)到平衡狀態(tài)之前的調(diào)整過(guò)程中，使周?chē)馏w變形破壞，并逐步向外擴(kuò)張，通過(guò)地層傳到地表，造成圍巖影響范圍內(nèi)及上部土體的應(yīng)力集中，在達(dá)到土體抗剪強(qiáng)度后趨于破壞，體現(xiàn)在地表則是產(chǎn)生地表較大變形。

圍巖在向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，拱頂下沉及隧道收斂變形會(huì)借助地層自下而上地傳遞到地表，在垂直隧道軸線(xiàn)方向上產(chǎn)生一定范圍內(nèi)的地表沉降，形成沉降槽。有學(xué)者認(rèn)為，在不排水的情況下，隧道開(kāi)挖所形成的地表沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失的體積[6]。此外，區(qū)間隧道開(kāi)挖過(guò)程中的超欠挖、初期支護(hù)與圍巖的緊密程度、隧道涌突水等因素都會(huì)造成圍巖范圍內(nèi)土體應(yīng)力的重新分配，同時(shí)也會(huì)造成地表一定的沉降變形。

1.3基于peck理論的地表沉降研究

1.3.1peck理論概述

peck經(jīng)驗(yàn)公式法地表沉降理論中，假設(shè)地層損失是沿著隧道縱向均勻分布，得到隧道施工過(guò)程中產(chǎn)生的橫向地表沉降分布近似符合正態(tài)分布曲線(xiàn)，在peck地表沉降公式中確定地層及其施工的相應(yīng)參數(shù)，就可以得到區(qū)間隧道在開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降數(shù)值，可以有效確定地表沉降的影響范圍，并及時(shí)進(jìn)行控制沉降的有效措施。

1.3.2peck模型的建立

peck模型中忽略隧道在開(kāi)挖過(guò)程中的排水情況，地表沉降完全由開(kāi)挖造成的地層損失引起，計(jì)算模型如圖1所示。圖中z為隧道中心埋深（m），R為隧道半徑（m）。

圖1　peck地表沉降模型

模型遵循如下函數(shù)關(guān)系式：

式中：Sx為距離隧道軸線(xiàn)距離x處的地表沉降值，m；Smax為隧道軸線(xiàn)處地表沉降最大值，m；i為沉降

式中：z為隧道中心埋深，m；φ為土的內(nèi)摩擦角，（°）。

之后，諸多學(xué)者分別就peck沉降理論公式中的在不同土層狀態(tài)下的取值進(jìn)行了研究分析，最終確定，以O(shè)’Reilly和New所研究的黏性土和非黏性土計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值相吻合，并得出K值的確定不隨隧道埋深及直徑的變化而變化，即：

式中：K為土體類(lèi)型的無(wú)綱量參數(shù)；z0為隧道中軸線(xiàn)到地表距離，m。

最后得出了黏性土的值范圍是0.4～0.5，非黏性土的K值范圍是0.25～0.35[7，8]。本文以某一特定地鐵區(qū)間隧道實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程為依據(jù)，借助Midas GTS數(shù)值模擬軟件，計(jì)算隧道圍巖施工過(guò)程中的地表沉降變化規(guī)律，并與peck沉降理論相比較，驗(yàn)證沉降槽曲線(xiàn)在濟(jì)南地區(qū)地鐵區(qū)間隧道開(kāi)挖過(guò)程中計(jì)算沉降的適用性。槽寬度系數(shù)，即模型曲線(xiàn)拐點(diǎn)距隧道軸線(xiàn)的距離，m；Vi為隧道在開(kāi)挖過(guò)程中單位長(zhǎng)度的地層損失，即隧道實(shí)際開(kāi)挖土體體積與竣工后隧道體積之差。

由式（1）、式（2）可以看出，決定地表最大沉降量的主要因素是模型曲線(xiàn)拐點(diǎn)距隧道軸線(xiàn)的距離i。依據(jù)peck理論，寬度系數(shù)可由式（3）得出：

2　基于Midas GTS數(shù)值模擬的地表沉降變形規(guī)律研究

2.1建立模型

本實(shí)例借助Midas GTS數(shù)值模擬建立區(qū)間隧道開(kāi)挖過(guò)程地表沉降模型。模型采用似半圓形截面，考慮到邊界效應(yīng)，模型尺寸定為100 m×100 m。地表面為自由面，左右兩側(cè)截面法相約束限制X方向水平位移，下邊界約束限制Z方向位移。建立的模型如圖2所示。

圖2　區(qū)間隧道Midas GTS計(jì)算模型

2.2計(jì)算參數(shù)的選取

模型選取的土體參數(shù)及支護(hù)材料參數(shù)如表1所示。其中噴射混凝土厚度為0.16 m，錨桿長(zhǎng)度4 m，弧向間距1.5 m，單一斷面內(nèi)錨桿數(shù)量13根。

表1　巖土體及支護(hù)材料參數(shù)取值表

2.3計(jì)算結(jié)果分析

將模擬結(jié)果4D范圍內(nèi)沉降點(diǎn)的沉降量提取出來(lái)借助origin制表軟件，繪制出沉降變化曲線(xiàn)，如圖3所示。由模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，區(qū)間隧道影響范圍內(nèi)地表沉降基本符合正態(tài)分布曲線(xiàn)，表現(xiàn)為拱頂處沉降最為明顯，最大沉降量位13.5 mm，距離隧道中軸線(xiàn)的距離越大沉降越小，呈現(xiàn)向兩側(cè)擴(kuò)散逐漸減小的趨勢(shì)。由沉降曲線(xiàn)可知，區(qū)間隧道沉降變形規(guī)律基本符合peck公式的沉降理論，但影響沉降槽特性的沉降槽寬度系數(shù)還需根據(jù)實(shí)際地表沉降實(shí)測(cè)值予以確定。

圖3　區(qū)間隧道開(kāi)挖地表沉降曲線(xiàn)

3　結(jié)　論

（1）區(qū)間隧道開(kāi)挖過(guò)程中的地表沉降是土體土拱效應(yīng)、顆粒間摩擦阻力及支護(hù)參數(shù)等多因素共同作用的結(jié)果，且沉降的發(fā)展過(guò)程是由圍巖逐漸向地表發(fā)展。

（2）地表沉降是土體應(yīng)力和變形傳遞的主要體現(xiàn)形式，圍巖的卸載導(dǎo)致應(yīng)力在重分配的情況下，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致土體抗剪破壞，并受限于超欠挖、初期支護(hù)與圍巖緊密程度、隧道涌突水等因素的限制。

（3）通過(guò)Midas GTS數(shù)值模擬軟件的分析計(jì)算，得出了地表沉降變化規(guī)律基本符合peck沉降計(jì)算理論所述的正態(tài)分布曲線(xiàn)。由此可將peck沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式用于類(lèi)似工程地表沉降規(guī)律的研究中，指導(dǎo)工程實(shí)踐。

[1]方浩亮，遲明，張德勇.地鐵暗挖區(qū)間隧道地層變形特性分析[J].西部探礦工程，2014（6）:181-183.

[2]朱道建，楊林德,黃建勇.廈門(mén)海底隧道地表沉降控制效果分析及其預(yù)測(cè)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007,26（11）：2356-2362.

[3]王璐.西安市地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)施工時(shí)地表沉降機(jī)理的[D].西安：西安科技大學(xué)，2008.

[4]張宇旭，占鸚.某地鐵區(qū)間隧道在地面超載作用下的沉降分析[J].黃石理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011,27（3:）37-40.

[5]王琦.成都地鐵區(qū)間隨道盾構(gòu)施工引發(fā)地表沉降的數(shù)值模擬研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2005.

[6]韓煊，李寧.STANDING J R.地鐵隧道施工引起地層位移規(guī)律的探討[J].巖土力學(xué)，2007，28（3）：609-612.

[7]馮超.地鐵隧道盾構(gòu)施工引起的地表變形規(guī)律研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2011.

[8]程青云.砂性粉土地層內(nèi)地鐵區(qū)間隧道施工過(guò)程地層變形規(guī)律與穩(wěn)定性研究[D].浙江：浙江工業(yè)大學(xué)，2012.

U451

A

1009-7716（2016）02-0169-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.047

2015-11-11

胡琳（1984-），女，江蘇無(wú)錫人，工學(xué)碩士，工程師，從事軌道交通技術(shù)工作。