張明麗

（阜陽(yáng)市茨河鋪樞紐工程管理所,安徽 阜陽(yáng) 236000）

1 引言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的快速發(fā)展,地下空間的利用得到了大幅提高。以隧道為例,隧道在開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生影響,導(dǎo)致地表發(fā)生變形和沉降,影響隧道的安全運(yùn)營(yíng)。目前隧道開(kāi)挖的方式主要為盾構(gòu)施工。相比其他方式,盾構(gòu)法對(duì)地層的擾動(dòng)更小,但不可避免的對(duì)周?chē)鷰r土體造成擾動(dòng)。因此如何有效地預(yù)測(cè)和控制隧道施工過(guò)程中對(duì)地層產(chǎn)生的不利影響,是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

葉友林和路志旺[1]基于數(shù)值模擬研究了沈陽(yáng)地區(qū)砂礫地層淺埋盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)地表變形的影響,結(jié)果表明,拱頂覆土厚度、土體強(qiáng)度對(duì)地表變形影響很大,因此合理地進(jìn)行選取初始注漿彈性模量在一定程度上可改善地表變形。丁靜澤和陳建平[2]基于現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬研究了武漢地鐵隧道地表沉降規(guī)律。結(jié)果表明,隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中地表沉降可分為3 個(gè)階段：分別為初期沉降階段、快速沉降階段和沉降收斂階段,各階段中快速沉降階段地表沉降量占總沉降量的67%。孫國(guó)慶[3]基于FLAC3D 數(shù)值有限元研究了淺埋隧道開(kāi)挖對(duì)地層變形影響。結(jié)果表明,隧道的地表沉降均小于10 mm,隧道施工過(guò)程較為安全,穩(wěn)定性較好。馬樂(lè)民等[4]基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬研究了隧道左右線洞口段施工時(shí)序?qū)λ淼赖乇沓两档挠绊?。結(jié)果表明,地表沉降量受洞口段地形高低、隧道開(kāi)挖及支護(hù)時(shí)間等多因素疊加影響。徐新星[5]依托某隧道工程實(shí)例,利用有限元軟件建立模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,研究了隧道兩種斷面開(kāi)挖施工方法引起不同方向的土體變形。結(jié)果表明,數(shù)值模擬得到的土體變形與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相近,文中提出的地表沉降變形預(yù)測(cè)模型是合理的。張彪等[6]采用物理模型試驗(yàn)研究了不同樁基長(zhǎng)度對(duì)隧道開(kāi)挖地層的變形影響。結(jié)果表明,隧道周?chē)馏w變形隨樁體的長(zhǎng)度增大而先增大后減小,中長(zhǎng)樁基對(duì)于隧道頂部的水平和豎向變形有良好的控制作用。劉俊生等[7]基于數(shù)值模擬研究了雙線盾構(gòu)隧道開(kāi)挖地表沉降變形規(guī)律。結(jié)果表明,雙線盾構(gòu)開(kāi)挖相互擾動(dòng)效應(yīng)明顯,實(shí)際施工中應(yīng)采取支護(hù)措施,減小擾動(dòng)影響。張?zhí)炱娴萚8]基于模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了砂土隧道開(kāi)挖引起的地表及深層土體變形規(guī)律。結(jié)果表明,隧道開(kāi)挖過(guò)程中,隧道周?chē)馏w的體積響應(yīng)與應(yīng)力路徑關(guān)系密切,即不同應(yīng)力路徑下的土體體積響應(yīng)有所不同。

本文基于數(shù)值模擬手段研究了盾構(gòu)隧道開(kāi)挖過(guò)程地表變形規(guī)律,分析土體的彈性模量以及厚度變化工況下,地表水平和豎向位移的分布規(guī)律。

2 工程概況與數(shù)值模型建立

2.1 工程概況

本文研究隧道地處高中山地貌,隧道的最大和最小埋深分別為500 m 和80 m 左右,高程位于940 m~1500 m 之間。地形起伏較大,斜坡坡度介于10°~30°之間。隧址區(qū)地層主要由粉質(zhì)黏土和斷層角礫巖為主。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,發(fā)育有較多的斷裂構(gòu)造,對(duì)隧道施工影響較大。隧道施工主要包括開(kāi)挖,襯砌和注漿填充。在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,應(yīng)力部分釋放,隨著襯砌拼裝,地應(yīng)力全部釋放并達(dá)到穩(wěn)定。

2.2 數(shù)值模型建立

采用FLAC3D 建立隧道開(kāi)挖數(shù)值模型見(jiàn)圖1。其中模型的長(zhǎng)度為60 m,寬度為40 m。襯砌結(jié)構(gòu)采用Shell 單元模擬,折減系數(shù)取值為0.75。襯砌結(jié)構(gòu)與土體采用接觸面模擬,其中,接觸面參數(shù)法向剛度和切向剛度取值分別為Kn=109Pa /m、KS=109Pa/m。巖土體和襯砌結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)取值,具體見(jiàn)表1。隧道埋深為15 m,外徑和內(nèi)徑分別為6 m 和5.4 m。襯砌厚度為0.3 m。巖土體采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)計(jì)算。襯砌假定為各向同性彈性體。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 模型有限元網(wǎng)格劃分圖

本文假定隧道開(kāi)挖方式為應(yīng)力釋放法[9]。為研究多層土中各層土厚度比值以及各層土剛度比值對(duì)地表變形的影響,本文將模型中的土層劃分為兩層和三層（圖2）。各層土的厚度分別表示方法見(jiàn)圖2。其中各層土厚度之比定義為厚度比,下文中統(tǒng)一用A 表示,各土層之間的彈性模量比值定義為剛度比,下文中統(tǒng)一用B 表示。

圖2 模型有限元網(wǎng)格劃分圖

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 土層厚度比的影響

圖3 匯總得到固定土層剛度比B=0.13 情況下,土層厚度比分別為0.29、0.42、0.6、0.82 和1.11 工況下,地表的水平和豎直向位移分布規(guī)律。結(jié)果表明,地表水平向位移隨距隧道中心距離的增大呈高斯分析形態(tài)。當(dāng)剛度比不變時(shí),厚度比越大,水平和豎向位移越大。當(dāng)土層厚度比小于0.82 時(shí),水平和豎向位移變化速度比較小,當(dāng)厚度比為1.1 時(shí),位移顯著增大,其最大水平位移為7.1 mm,豎向最大位移為20 mm?？傮w結(jié)果表明,對(duì)于較小彈性模量的土層厚度不斷增大,土層整體的有效剛度逐漸減小,而較小的剛度導(dǎo)致較大的地表變形。

圖3 兩層土地表位移分布規(guī)律

圖4 匯總得到固定土層剛度比B=8 情況下,地表的水平和豎直向位移分布規(guī)律。與圖3 結(jié)果相比。土體的水平向位移和豎直向位移隨上層土厚度的增大而減小。且減小幅度明顯小于圖3 位移增大幅度。水平位移在距隧道中心15 m 處達(dá)到最大,最大值為7.5 mm；豎向位移在距隧道中心0 m 處達(dá)到最大,最大值為42 mm。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因也可以用有效剛度理論解釋,即隨著較大彈性模量的土層厚度增大,整個(gè)土體的有效剛度增大,從而減小了土體的變形量。此外,由于土體的有效彈性模量對(duì)地表的位移影響不同。彈性模量減小導(dǎo)致引起的地表位移大于彈性模量增加而引起的地表位移。因此,即使土層厚度比相同,但由于不同彈性模量的土體層厚度增大或者減小,也會(huì)導(dǎo)致地表水平和豎向變形發(fā)生差別。

圖4 兩層土地表位移分布規(guī)律

圖5 匯總得到固定剛度比B=0.25,三層土層厚度變化工況下地表位移分變化情況。結(jié)果表明,地表水平和豎向位移隨中間土層厚度的減小而逐漸增大,但增加速率較小,水平和豎向位移曲線近似服從高斯分布曲線。水平位移在距隧道中心15 m 處達(dá)到最大,最大值為6 mm；豎向位移在距隧道中心0 m 處達(dá)到最大,最大值為17 mm。但由于土層層數(shù)不同不會(huì)改變地表形態(tài),因此變形曲線都服從相同的分布規(guī)律。

圖5 三層土地表位移分布規(guī)律

3.2 土層剛度比的影響

圖6 匯總得到土層厚度比固定為0.6 時(shí),剛度比變化對(duì)地表水平和豎向位移的影響規(guī)律。結(jié)果表明,當(dāng)上層土的彈性模量為3 MPa 時(shí),地表水平和豎向位移隨剛度比的增大而減小。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有兩方面：（1）當(dāng)剛度比改變時(shí),土體的有效彈模增大,進(jìn)而導(dǎo)致土體的變形減小；（2）隧道開(kāi)挖對(duì)地表變形的影響存在一定的影響范圍,在該影響范圍之內(nèi),隧道周邊土體的的變形起到控制作用,隨著剛度比減小,控制影響區(qū)內(nèi)的土體彈模增大,土體處于硬化階段,隧道地表水平和豎向位移減小[10]。

圖6 兩層土地表位移分布規(guī)律

4 結(jié)論與建議

本文基于FLAC3D 數(shù)值有限元,在平面應(yīng)變的假定條件下,建立數(shù)值有限元模型,計(jì)算并分析了土層厚度比變化和土層剛度比變化對(duì)地表水平和豎向位移的影響,得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)剛度比較小且保持不變時(shí),地表水平和豎向位移隨厚度比的增大而增大；當(dāng)剛度比較大且保持不變時(shí),地表水平和豎向位移隨厚度比的增大而減小,造成結(jié)論相反的原因是由于剛度比不同導(dǎo)致土體的有效彈性模量改變,進(jìn)而導(dǎo)致地表位移發(fā)生改變。

（2）對(duì)于三層土情況,盾構(gòu)隧道施工對(duì)地表變形的影響仍然受有效彈性模量和影響區(qū)的控制。但無(wú)論何種情況,地表位移曲線均呈現(xiàn)出高斯分布形態(tài)。

（3）根據(jù)本文的研究,隧道施工過(guò)程中需關(guān)注影響區(qū)范圍對(duì)地表變形的影響,建議在隧道周?chē)黾拥乇碜冃伪O(jiān)測(cè)儀器,隨時(shí)關(guān)注地表變形動(dòng)態(tài)變化；隧道開(kāi)挖過(guò)程中及時(shí)進(jìn)行襯砌拼裝和注漿加固處理。