陳 菊

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)有城鎮(zhèn)的地上空間已經(jīng)不能滿足人民日益增長(zhǎng)的需求，所以大力開(kāi)發(fā)地下空間逐漸成為主要趨勢(shì)，其中隧道工程是應(yīng)用最為廣泛的手段［1－3］。在城市隧道施工過(guò)程中，隧道開(kāi)挖會(huì)對(duì)原有地層產(chǎn)生擾動(dòng)并使地層應(yīng)力改變，從而造成地表較大變形及路面塌陷等情況，嚴(yán)重威脅到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，所以需要對(duì)隧道開(kāi)挖時(shí)的地表沉降及隧道本身的變形情況進(jìn)行深入研究與有效控制［4－5］。

對(duì)于隧道變形與地表沉降的分析，有很多較為成熟的方法，包括理論計(jì)算、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬等［4－8］。其中伴隨著計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展，由于數(shù)值模擬更能直觀地展現(xiàn)出隧道開(kāi)挖時(shí)的土體變形等相關(guān)分析結(jié)果，避免較大工程問(wèn)題的出現(xiàn)而逐漸成為最普遍也是應(yīng)用最廣泛的分析方法。

劉波等［9］應(yīng)用大型有限差分軟件 FLAC2D／3D對(duì)盾構(gòu)施工期間地表沉降對(duì)某購(gòu)物中心建筑基礎(chǔ)的影響程度進(jìn)行分析并給出合理的解決方案。趙華松［10］通過(guò)三維有限元數(shù)值模擬的方法對(duì)上海地鐵明珠線某處的隧道區(qū)間施工出現(xiàn)的地表沉降情況進(jìn)行分析，并結(jié)合模擬結(jié)果與實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析得到隧道開(kāi)挖時(shí)影響范圍內(nèi)的地層沉降規(guī)律，并利用計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)出了隧道施工力學(xué)分析系統(tǒng)。楊福麟等［11］利用大型通用巖土工程分析軟件MIDAS／GTS對(duì)武漢地鐵虎名區(qū)間采用礦山法進(jìn)行的隧道開(kāi)挖工程為背景，對(duì)施工過(guò)程的隧道變形及地表沉降情況進(jìn)行分析，提出了隧道開(kāi)挖期間的圍巖優(yōu)化方案。曹波等［12］通過(guò)地鐵暗挖隧道施工的數(shù)值分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究地鐵暗挖隧道初期支護(hù)變形特性。崔鳳［13］通過(guò)某工程實(shí)例介紹了淺埋暗挖法施工對(duì)臨近建筑物的影響，并提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

本文以哈爾濱地鐵某區(qū)間隧道開(kāi)挖工程為依托，利用大型通用巖土工程分析軟件MIDAS／GTS建立隧道工程的有限元數(shù)值模型，將最后模擬結(jié)果得到的地表沉降結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)值吻合度進(jìn)行分析，驗(yàn)證模型的合理性，在此基礎(chǔ)上對(duì)隧道斷面的變形進(jìn)行分析，與此同時(shí)選取單洞與雙洞兩種施工工況，對(duì)隧道開(kāi)挖的合理施工方法進(jìn)行分析，為以后類(lèi)似工程的施工提供參考。

1 工程背景

工農(nóng)大街站—終點(diǎn)區(qū)間，從工農(nóng)大街站開(kāi)挖，順麗江路向東前進(jìn)通過(guò)半徑3 m的曲線，至麗江路到達(dá)終點(diǎn)。區(qū)間起訖里程為DK42＋445．683—DK42＋869．516，區(qū)間全長(zhǎng) 424．678 m，地層剖面圖見(jiàn)圖 1。區(qū)間隧道為礦山法施工，隧道豎向采用單向坡，最大坡度是1．51%，拱頂滿身是15．20 m。兩隧道之間的軸線距離是14 m，隧道初襯厚度為0．25 m，二襯支護(hù)厚度是0．30 m，見(jiàn)圖2。

圖1 地層剖面圖

圖2 隧道的斷面圖

2 數(shù)值模型的建立

2．1 基本假定

有限元模型中考慮以下基本假定：

（1）材料采用修正Mohr－Coulomb破壞屈服準(zhǔn)則，考慮土體卸載和重加載剛度硬化。

（2）各土層均簡(jiǎn)化為勻質(zhì)成層水平分布。

（3）本暗挖隧道的施工是在降水的前提下進(jìn)行施工，無(wú)需考慮地下水滲流在隧道開(kāi)挖過(guò)程中的影響。

2．2 單元類(lèi)型及材料參數(shù)

隧道的圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用彈性材料，隧道初襯采用三維板單元模擬，二襯支護(hù)結(jié)構(gòu)采用修改單元屬性的計(jì)算模塊，通過(guò)設(shè)定特有邊界修改單元屬性。隧道的鎖腳錨桿選用植入式桁架單元，并選用圓形斷面，其剛度按照其軸向剛度等效。本模型根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)特點(diǎn)，將場(chǎng)地土簡(jiǎn)化為四層，各層土的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層參數(shù)表

2．3 計(jì)算模型

按照隧道開(kāi)挖的影響范圍大小，計(jì)算模型范圍在水平和豎直方向取3～5倍隧道的跨度，向上取至地表。模型在水平方向取4倍的隧道開(kāi)挖斷面寬度，豎直方向從隧道底部開(kāi)始取向下3倍洞徑。有限元模型的長(zhǎng)寬高分別取72 m×30 m×35 m。

模型的左右兩側(cè)約束水平方向的位移，底面約束水平和豎向方向上的位移，上表面為自由邊界。土體材料均采用可考慮土體硬化和剛度與應(yīng)力相關(guān)性的修正莫爾－庫(kù)侖模型。該模型共有14 154個(gè)節(jié)點(diǎn)，13 960個(gè)單元。其計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3 有限元模型

3 數(shù)值模擬值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值對(duì)比分析

3．1 監(jiān)測(cè)方案

針對(duì)隧道上方的地表沉降，沿軸線方向每隔50 m～100 m布置測(cè)點(diǎn)，并且地表測(cè)點(diǎn)頂部露出地表應(yīng)控制在5 mm以?xún)?nèi)，見(jiàn)圖4（a）。針對(duì)拱頂沉降，同一斷面在拱腰部位布收斂測(cè)點(diǎn)，每間隔10 m布設(shè)一斷面，見(jiàn)圖 4（b）。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3．2 結(jié)果對(duì)比分析

針對(duì)雙線隧道施工過(guò)程中對(duì)地表沉降和水平收斂進(jìn)行研究。選取左線隧道剛好貫通，右線隧道臺(tái)階開(kāi)挖至15 m處的地表沉降量與實(shí)測(cè)地表沉降量進(jìn)行對(duì)比。

3．2．1 地表沉降規(guī)律分析

（1）縱向地表沉降規(guī)律。圖5是隧道施工過(guò)程中縱向地表沉降云圖，由圖5可知，沉降范圍集中在左線隧道上部地表，沉降量從開(kāi)挖初始至貫通結(jié)束逐漸減小，最大地表沉降量位于隧道洞頂，且左線隧道沉降范圍大于右線。

圖5 縱向地表沉降云圖

開(kāi)挖面不同距離的左、右線地表沉降模擬值和監(jiān)測(cè)值的對(duì)比曲線見(jiàn)圖6。為更好的反映地表沉降規(guī)律，對(duì)該監(jiān)測(cè)斷面點(diǎn)進(jìn)行了加密布置，截面沿隧道開(kāi)挖方向分別取左、右線隧道中軸線為剖面，獲取地表沉降值。由圖6可知，受隧道開(kāi)挖時(shí)空效應(yīng)的影響，開(kāi)挖面以后地表沉降量大于開(kāi)挖面前方未開(kāi)挖處地表沉降量，開(kāi)挖面前方未開(kāi)挖10 m范圍內(nèi)為掌子面擾動(dòng)影響區(qū)，開(kāi)挖面1．5D外幾乎不受掌子面開(kāi)挖影響，沉降量控制在3 mm以?xún)?nèi)。隧道左線先開(kāi)挖，縱向沉降量大于右線隧道縱向沉降量，最大沉降量為19．41 mm，右線最大沉降量為 18．51 mm，分析因?yàn)樽缶€隧道沉降完全，右線隧道在后續(xù)施工過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生沉降，但由于左線隧道施工對(duì)右線為施工地層起到加固作用，故右側(cè)沉降量小于左線。沉降監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值較為相近，說(shuō)明模擬結(jié)果真實(shí)可靠，可用來(lái)預(yù)測(cè)相應(yīng)模型。

圖6 地表沉降的數(shù)值模擬值和監(jiān)測(cè)值對(duì)比曲線

（2）橫向地表沉降規(guī)律。圖7是隧道施工過(guò)程中橫向地表沉降云圖，由圖7可見(jiàn)，隧道橫向沉降在雙線隧道各自洞頂最大，向上地表延伸相互接合，左線隧道施工完畢，最大回彈量為6 mm，而右線隧道正處于施工階段，核心土處回彈量最大，向下呈U形分布；在雙線隧道地表中軸線處，呈現(xiàn)出拱形沉降等值線分布形式，隧道施工對(duì)上部土體沉降影響范圍處于4D范圍內(nèi)。

圖7 橫向地表沉降云圖

開(kāi)挖面不同距離地表沉降值模擬值與沉降值的對(duì)比曲線見(jiàn)圖8。距隧道中軸線約40 m范圍內(nèi)，橫向方向取垂直于隧道開(kāi)挖面為截面，分別選取距離施工面－12 m、－7 m、0 m、8 m、12 m處的實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。由圖8可見(jiàn)，受隧道先后開(kāi)挖順序的影響，右線隧道開(kāi)挖至12 m時(shí)，距開(kāi)挖面0 m時(shí)，地表沉降曲線呈現(xiàn)出軸對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，并且最大沉降值偏向左邊隧道，說(shuō)明雙線隧道開(kāi)挖時(shí)，先施工的隧道引起的地表沉降量占總沉降量比例較大；開(kāi)挖始發(fā)處（x＝－12 m）沉降最大，最大沉降量為13．1 mm，距開(kāi)挖面－7 m處，最大地表沉降量為 －12．3 mm，施工面的最大沉降值為 11．4 mm；距開(kāi)挖面8 m、12 m處為左線開(kāi)挖右線未開(kāi)挖段，沉降量產(chǎn)生在左線隧道之上，最大沉降量分別為－8．49 mm，－9 mm。選取開(kāi)挖面前方監(jiān)測(cè)點(diǎn)中的有效測(cè)點(diǎn)，把地表沉降觀測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，圖中散點(diǎn)為監(jiān)測(cè)值，監(jiān)測(cè)值與模擬值擬合良好。監(jiān)測(cè)值略小于模擬值，這是由于在實(shí)際工程中，考慮了地層加固及支護(hù)作用，地表沉降量較計(jì)算值小。

圖8 地表沉降的模擬值和監(jiān)測(cè)值對(duì)比曲線

3．2．2 水平收斂分析

圖9為雙線隧道拱腰處水平收斂值。左線隧道頂部最大收斂值是4．2 mm，并且由隧道左上方向周?chē)鷶U(kuò)散；左線隧道拱腰處最大水平收斂值為4．15 mm，位于隧道拱腰處，從橫斷面沿縱向延伸，呈層狀分布；左右線隧道之間產(chǎn)生輕微的水平收斂，最大水平收斂值為2．1 mm，分析由于受上覆土壓力和隧道內(nèi)部卸荷的影響，隧道出現(xiàn)了被擠壓的現(xiàn)象，拱腰周?chē)耐馏w向兩側(cè)發(fā)生移動(dòng)。右線隧道最大水平收斂值為4．2 mm，水平收斂值從靠近隧道邊緣向外側(cè)地層逐漸減??；隧道頂部的最大水平位移是4．15 mm，橫向上隧道頂部最大，向兩邊逐漸減小。

圖9 雙線隧道水平收斂云圖

雙線隧道地表水平位移和拱腰水平位移模擬值見(jiàn)圖10。向隧道左側(cè)的水平位移記為“－”，反之為“＋”。由圖10可見(jiàn)，雙線隧道、地表水平位移分別呈正弦分布規(guī)律，雙線隧道水平位移方向與隧道頂部土體水平位移方向相反，呈8字型分布，由于隧道受上覆土體自重及內(nèi)部土體卸荷作用，導(dǎo)致隧道土體向外側(cè)發(fā)生變形，同時(shí)上部土體向下移動(dòng)以彌補(bǔ)隧道水平位移產(chǎn)生的土體損失；雙線隧道間土體的水平位移變形較小，左線隧道周?chē)耐馏w向右移動(dòng)，最大位移是2．1 mm，地表的最大水平位移與隧道水平位移幾乎相同。

圖10 隧道水平位移的模擬值

4 不同臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)隧道縱剖面豎向位移的影響

為研究不同臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)地層變形的影響，分別取0．5D、1．0D、1．5D、2．0D（D 為隧道開(kāi)挖斷面跨度，約6 m），隧道上、下臺(tái)階的高度取開(kāi)挖面高度的一半。另外，由于實(shí)際施工中兩隧道錯(cuò)距開(kāi)挖距離較大，單隧道受臺(tái)階長(zhǎng)度的影響同樣十分重要。因此，分別對(duì)單個(gè)隧道和雙洞隧道進(jìn)行模擬分析。

（1）單線隧道施工。由圖11的單個(gè)隧道豎向位移云圖可以看出，臺(tái)階長(zhǎng)度的不同對(duì)開(kāi)挖面處上方地表沉降的影響較大，隨著臺(tái)階長(zhǎng)度的增加，其開(kāi)挖面處上方地表沉降以及拱頂沉降也隨之增大。針對(duì)四種施工工況，當(dāng)上臺(tái)階的開(kāi)挖面處于同一位置時(shí)，臺(tái)階長(zhǎng)度為3 m（0．5D）的拱頂和地表沉降值最大，分別為13．2 mm和5．9 mm。當(dāng)臺(tái)階長(zhǎng)度為6 m（1．0D）時(shí)，拱頂和地表沉降量分別增大 8．3 mm（63%）和4．9 mm（83%）；而隨著臺(tái)階長(zhǎng)度的繼續(xù)增加，臺(tái)階長(zhǎng)度為 9 m（1．5D）和 12 m（2．0D）時(shí)，地表沉降和拱頂沉降值則趨于穩(wěn)定，受臺(tái)階長(zhǎng)度影響不明顯，見(jiàn)圖12。分析主要原因是由于臺(tái)階長(zhǎng)度增加，襯砌閉合成環(huán)的時(shí)間變長(zhǎng)，地層不能受到足夠的襯砌結(jié)構(gòu)約束而產(chǎn)生變形，進(jìn)而引起地表沉降和拱頂沉降值增大。

圖11 隧道縱剖面的豎向位移云圖

圖12 單個(gè)隧道不同臺(tái)階長(zhǎng)度豎向位移曲線圖

（2）雙線隧道施工。由圖13的雙隧道豎向位移云圖可以看出，受臨近隧道開(kāi)挖的影響，隧道地表沉降與拱頂沉降值均有不同程度的增長(zhǎng)，隧道上臺(tái)階開(kāi)挖面附近的土體影響較為明顯。從云圖上可以看出，隧道開(kāi)挖面上方的土體受擾動(dòng)范圍較單個(gè)隧道工況有所擴(kuò)大。與單個(gè)隧道相似，雙隧道開(kāi)挖在臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)地層豎向變形影響規(guī)律相同。

圖13 隧道縱剖面豎向位移云圖

5 結(jié) 論

論文采用MIDAS／GTS建立隧道施工的有限元分析模型，得到的數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)際地表沉降監(jiān)測(cè)值吻合程度較高，并基于此有限元模型得到以下分析結(jié)果：

（1）隧道縱向開(kāi)挖面前方未開(kāi)挖10 m范圍內(nèi)為掌子面擾動(dòng)影響區(qū)，1．5倍洞徑以外的幾乎不受隧道施工的影響；隧道橫向雙線隧道地表中軸線處形成拱形沉降等值線分布形式，上部土體沉降影響范圍處于4倍洞徑范圍內(nèi)；

（2）雙線隧道的最大水平位移出現(xiàn)在隧道外側(cè)拱腰處，左右線隧道之間產(chǎn)生輕微的水平收斂，雙線隧道、地表水平位移分別呈正弦分布規(guī)律且兩者位移方向相反；

（3）開(kāi)挖過(guò)程臺(tái)階長(zhǎng)度增加，不論是單軸還是雙軸隧道，在隧道縱軸方向均引起地表沉降和拱頂沉降值增大。

［1］ RB Peck．Deep excavations and tunneling in soft ground．State of Art Report Proc［C］／／7th Int．Conf．SMFE．Mexico：Mexico University Press，1969：225-290．

［2］ 何 橋，葉明亮，田 凱，等．淺埋暗挖隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬分析［J］．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2015，13（6）：36-41．

［3］ 尚淑萍，胡玉嬌，徐彥妮．基于既有線平順性淺埋暗挖隧道地面沉降控制標(biāo)準(zhǔn)［J］．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014，12（2）：95-99．

［4］ 陳利杰，張曉平，劉華斌，等．城市淺埋軟巖隧道施工沉降分析及對(duì)策［J］．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010，18（2）：281-288．

［5］ 陳星欣，白 冰．隧道下穿既有結(jié)構(gòu)物引起的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究［J］．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2011，19（1）：103-108．

［6］ 唐益群，葉為民，張慶賀．上海地鐵盾構(gòu)施工引起地面沉降的分析研究（三）［J］．地下空間，1995，15（4）：250-258．

［7］ Finno R，Clough G W．Evaluation of soil response to EPB shield tunneling［J］．Journal of Geotechnical Engineering，1985，111（2）：157-173．

［8］ 李 維，何 川，張志強(qiáng)．大型地下結(jié)構(gòu)下修建盾構(gòu)隧道模型試驗(yàn)［J］．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，40（4）：478-483．

［9］ 劉 波，葉圣國(guó)，陶龍光，等．地鐵盾構(gòu)施工引起鄰近基礎(chǔ)沉降的 FLAC數(shù)值模擬［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2002，30（10）：75-80．

［10］ 趙華松，周文波，劉 濤，等．雙線平行盾構(gòu)施工引起的土體位移分及析其軟件開(kāi)發(fā)［J］．上海大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，11（4）：516-421．

［11］ 楊福麟，劉永林，胡 斌．武漢地鐵隧道開(kāi)挖引起地表沉降的數(shù)值模擬研究［J］．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2013，21（1）：85-91．

［12］ 曹 波，劉 波，聶衛(wèi)平．下穿既有電纜隧道的地鐵暗挖隧道穩(wěn)定性研究［J］．隧道建設(shè)，2013，33（11）：917-920．

［13］ 崔 鳳．地鐵區(qū)間淺埋暗挖施工對(duì)周邊建筑安全的影響研究［J］．建筑技術(shù)，2017，48（3）：236-238．