魏 周 斌

(蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730000)

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地鐵區(qū)間平行隧道開挖面距離對地表沉降影響研究

魏 周 斌

(蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730000)

以蘭州地鐵區(qū)間隧道為工程背景，用GTS-NX軟件對施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了雙孔平行隧道開挖對地表沉降的影響。結(jié)果表明：縱向監(jiān)測點(diǎn)豎向位移分為四個變化階段，左洞超前右洞15 m時，橫向監(jiān)測點(diǎn)豎向位移分布不是沿兩隧道中線呈對稱分布，對施工中如何去控制地表沉降具有參考意義。

雙孔平行隧道，開挖面距離，地表沉降，應(yīng)力場

1 概述

隨著我國城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，地面交通基本趨于飽和，城市軌道交通得到了大力發(fā)展。在地鐵建設(shè)過程中，區(qū)間平行隧道施工會擾動地層，引起復(fù)雜的地表沉降。先行隧道開挖會引起后開挖隧道地質(zhì)條件的改變，使得沉降曲線不對稱；而后掘進(jìn)隧道會對先行隧道產(chǎn)生擾動[1,2]。趙菁菁等[3]利用有限元軟件FLAC3D數(shù)值模擬地鐵近距離隧道暗挖施工過程中所導(dǎo)致的地表沉降，而且研究了地表沉降值隨著施工工序的不同呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律;吳華君等[4]研究得出地鐵近接隧道在盾構(gòu)法施工過程中引起的地表沉降與正態(tài)分布規(guī)律相類似；夏志強(qiáng)[5]通過有限元軟件ANSYS數(shù)值模擬了地鐵中多條平行隧道施工所引起的地表沉降規(guī)律，分析得到在平行隧道施工中，后行洞受先行開挖隧道的影響較大。

本文通過有限元軟件GTS-NX建立蘭州地鐵暗挖區(qū)間雙孔平行隧道開挖數(shù)值模型，分析兩隧道在開挖過程中引起地表縱向和橫向的沉降規(guī)律。

2 工程背景

蘭州地鐵1號線一期工程15工區(qū)位于蘭州市城關(guān)區(qū)范家灣村東崗東路，從蘭州東崗小區(qū)到酒鋼宏順物流公司，由西向東即拱星墩至焦家灣區(qū)間836.92 m、焦家灣站506.52 m、東崗車輛段出入線232.76 m，全長1 576.2 m。

區(qū)間隧道主體結(jié)構(gòu)臺階法施工，對于區(qū)間單線標(biāo)準(zhǔn)斷面采用臺階法施工，主要施工工序為：

利用小導(dǎo)管在隧道拱部注漿→開挖上臺階環(huán)部斷面、留核心土→施作初期支護(hù)→開挖下臺階→施作初支并閉合成環(huán)→待初支收斂后施作二襯。

3 區(qū)間平行隧道施工的數(shù)值模擬

3.1 計算參數(shù)的確定

初始地應(yīng)力場只考慮土體自重產(chǎn)生的自重應(yīng)力[5]，根據(jù)材料力學(xué)里的假定原則，假定所選土體均為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性，圍巖及混凝土均不考慮體積膨脹。圍巖采用實體單元模擬，初期支護(hù)采用板單元模擬并且初期支護(hù)只考慮超前支護(hù)加固區(qū)及拱架和噴射混凝土的共同作用，二次襯砌采用板單元模擬。利用軟件里的激活和鈍化功能來模擬隧道的開挖和襯砌的施作。

土體參數(shù)見表1,表2。

3.2 模型的建立

表1 土層的物理力學(xué)指標(biāo)

表2 支護(hù)材料參數(shù)

本模型的計算采用有限元軟件GTS-NX進(jìn)行施工數(shù)值模擬，討論在不同工況下地表沉降規(guī)律。

根據(jù)實際的工程概況建立數(shù)值計算模型，模型的本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型[6]。根據(jù)彈性力學(xué)相關(guān)知識淺埋隧道可以看做是半無限體，有限單元法是在有限的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，隧道開挖過程中只對一定范圍內(nèi)的應(yīng)力場和位移場有明顯的影響。根據(jù)圣維南原理，計算模型考慮某范圍內(nèi)土體性狀，計算模型橫斷面尺寸40 m×80 m，縱向取70 m，上邊界取至地表，地表到下邊界距離取為50 m，隧道埋深為9.5 m。地表設(shè)置為自由邊界，底面采用豎向約束，左右、前后面均采用法向約束。坐標(biāo)軸豎向定義為Z軸，沿隧道軸線方向定義為Y軸，水平方向定義為X軸，計算模型如圖1所示，將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為特征監(jiān)測點(diǎn)，數(shù)值分析特征監(jiān)測點(diǎn)示意圖見圖2。

3.3 模擬工況

利用GTS-NX軟件模擬平行隧道臺階法施工過程，模擬了左洞先行，超前右洞15 m，如圖3所示。

4 數(shù)值模擬結(jié)果

4.1 云圖分析

從圖4可以看出，隧道拱頂沉降，底部隆起，后開挖隧道的沉降、隆起范圍和數(shù)值明顯大于先行開挖的隧道。左洞開挖擾動地層，圍巖應(yīng)力場重新分布。

4.2 地表沉降規(guī)律分析

從圖5和圖6可以看出，左洞先行超前右洞15 m的時候，沉降槽寬度在不斷增大，橫向監(jiān)測點(diǎn)的最大沉降值為34.22 mm?？v向監(jiān)測點(diǎn)變化規(guī)律基本一致，隨著開挖面距離監(jiān)測點(diǎn)距離的變化，

分四個先行沉降、急劇沉降、沉降穩(wěn)定、長期緩慢沉降四個變化階段，但是從橫向監(jiān)測點(diǎn)豎向位移分布來看，不再是沿隧道中線呈對稱分布，而是隨后行洞的開挖沉降范圍偏向右側(cè)，并且數(shù)值在增大。

5 結(jié)語

1)從三種工況的計算結(jié)果分析來看，縱向監(jiān)測點(diǎn)變化規(guī)律基本一致，隨著開挖面距離監(jiān)測點(diǎn)距離的變化，分四個變化過程：先行沉降階段、急劇沉降階段、沉降穩(wěn)定階段、長期緩慢沉降階段。

2)先行洞超前后行洞15 m時，橫向監(jiān)測點(diǎn)豎向位移分布不再是沿隧道中線呈對稱分布，而是隨后行洞的開挖沉降范圍偏向后行洞一側(cè)，并且數(shù)值也在不斷增大，且最大值達(dá)到了32.41 mm。

3)兩隧道開挖面距離的不同會導(dǎo)致地表沉降分布不同，最大沉降值和沉降范圍會偏向后開挖隧道一側(cè)，這樣會對后行洞附近地面建筑物產(chǎn)生不利影響，施工中應(yīng)合理控制平行隧道開挖面距離。

[1] 韓 煊,李 寧.地鐵隧道施工引起地層位移規(guī)律的討論[J].巖土力學(xué),2007,28(3)：609-610.

[2] 姚愛軍,管 江,趙 強(qiáng),等.大間距雙線地鐵隧道礦山法施工引發(fā)地表沉降規(guī)律[J].地下空間與工程學(xué)報,2009,12(4):34.

[3] 趙菁菁，宿文姬．深圳地鐵近接隧道暗挖施工地表沉降控制[J].隧道建設(shè)，2014，34(11):1055-1061.

[4] 吳華君，魏 綱．近距離雙線平行盾構(gòu)施工引起的土體沉降計算[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014，51(2):63-69，75.

[5] 夏志強(qiáng)．城市地鐵群洞隧道施工地表沉降研究[D].成都:西南交通大學(xué)，2007.

[6] 劉永林.武漢地鐵虎泉—名都區(qū)間隧道開挖引起的地表沉降的研究[D].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)，2011.

Study on influence of excavation surface distance on surface subsidence of parallel tunnel in subway

Wei Zhoubin

(LanzhouCityRailTrafficCo.,Ltd,Lanzhou730000,China)

In this paper, the Lanzhou subway tunnel is used as the engineering background, and the GTS-NX software is used to simulate the construction process. The two-hole parallel tunnel is analyzed by using the GTS-NX software analyzes influence of excavation on surface subsidence. the results show that the vertical displacement of the longitudinal monitoring points is divided into four stages, when the left hole is advanced by 15 m, the vertical displacement distribution of the transverse monitoring point is not symmetrical along the middle line of the two tunnels. It has reference and guidance to how to control the surface settlement in the construction.

double hole parallel tunnel, excavation surface distance, surface subsidence, stress field

1009-6825(2017)17-0150-02

2017-04-03

魏周斌(1981- )，男，工程師

U451

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