[摘要]基于某地鐵隧道工程，采用有限元分析法，對復(fù)雜環(huán)境下暗挖隧道穿越富水砂層的地表沉降進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，隧道開挖縱向中軸線地表沉降表明，在一定程度上，開挖面的放坡對減少地應(yīng)力的釋放，維持開挖面的穩(wěn)定具有一定作用。在重力方向，支護(hù)結(jié)構(gòu)能對圍巖剛度抑制地層變形進(jìn)行很好的彌補(bǔ)，在即將完成貫通時，縱向地應(yīng)力值在上臺階較小。

　　地表沉降值在隧道中心軸線正上方最大，在橫斷面上，距離中心軸線越遠(yuǎn)，沉降值越小。在完成初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施加后，地表后續(xù)沉降較小，在進(jìn)行二次襯砌施加后，地表沉降值趨于穩(wěn)定。在開挖前地表沉降值為0，在地表觀測點，從完成正下方下臺階開挖到完成初期支護(hù)，地表出現(xiàn)25.42mm的沉降，在完成二次襯砌時，累計沉降為26.15mm。

　　[關(guān)鍵詞]地表沉降,隧道,應(yīng)力釋放,有限元

　　近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化的進(jìn)一步發(fā)展，在大中城市，為緩解交通壓力，進(jìn)行隧道等地下空間建設(shè)[1]。在進(jìn)行隧道施工時，常常會造成地表變形，變形過大會造成鄰近構(gòu)筑物的破壞[2]。在隧道埋深較小時，因其上覆土層使完整土拱無法形成，因而具有較低的自承能力，沉降可迅速從隧道拱頂向地表發(fā)展，控制沉降非常困難[3]。

　　在我國，淺埋暗挖法在城市淺埋隧道建設(shè)中應(yīng)用廣泛[4]，該方法對周圍土體的自承能力進(jìn)行了考慮[5]。為將對周圍土體的擾動減少，該方法提出嚴(yán)注漿、管超前、強(qiáng)支護(hù)、短開挖、勤量測、快封閉等要求[6]。影響地表沉降的因素較多，具有明顯地域特性，與土質(zhì)狀況、具體開挖方法、地下水滲流影響程度等具有密切關(guān)聯(lián)[7]。

　　在城市隧道建設(shè)中，地表沉降控制是難點[8]。有學(xué)者基于大量淺埋暗挖隧道工程的實測數(shù)據(jù)，對地質(zhì)條件和覆土厚度對地表沉降的影響進(jìn)行了研究，并采取有限元軟件進(jìn)行了模擬分析[9];有研究者對CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法對地表沉降影響進(jìn)行了分析研究[10];有學(xué)者對掌子面范圍內(nèi)，斷層帶和混合地層類型對地表沉降的影響進(jìn)行了研究;有研究者對最大地表沉降量和淺埋暗挖隧道超前管棚支護(hù)參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了研究。但目前對富水地層大跨度隧道施工地表沉降的研究較少，本文基于某地鐵隧道工程，采用有限元分析法，對復(fù)雜環(huán)境下暗挖隧道穿越富水砂層的地表沉降進(jìn)行了研究。

　　1工程概況

　　本工程為福州某地鐵隧道建設(shè)項目，該工程從A站到G站的地鐵隧道屬于淺埋暗挖區(qū)間。在右線區(qū)間，隧道長度為1025.13m;在左線區(qū)間，隧道長度為1027.21m。本區(qū)間正線線間距為9.5～16.2m，隧道覆土厚度為32.8～48.7m，隧道軌面埋深為37.66～53.74m。區(qū)間隧道采用臺階法進(jìn)行施工，在本區(qū)間，設(shè)置有施工豎井一座，橫通道兼作聯(lián)絡(luò)通道。該地鐵地下管網(wǎng)密布，地表建筑較多，本研究選取A站到G站的左線橫通道段，在對該段隧道進(jìn)行開挖后，主要處于微風(fēng)化花崗巖的上部，在隧道洞身，主要穿過中等風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖、散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、破碎狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等。

　　2隧道開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)

　　先進(jìn)行礦山法隧道豎井的施工，在完成豎井施工后，對橫通道進(jìn)行施工，通過橫通道，向兩側(cè)車站分別開辟4個工作面，同時組織進(jìn)行施工，按照圍巖特點，采用臺階法進(jìn)行施工。在正線隧道結(jié)構(gòu)中，支護(hù)形式全部采用復(fù)合式襯砌。A站到G站的左線橫通道段圍巖等級為5級，結(jié)構(gòu)施工采用C型斷面進(jìn)行。

　　3監(jiān)測點布置

　　在隧道沿線縱向中軸線正上方，對地表監(jiān)測點進(jìn)行布置，當(dāng)遇到地表既有建筑物和設(shè)施、建筑物群聚，沿著該處橫斷面，在一定范圍內(nèi)，加密進(jìn)行沉降觀測點的布設(shè)。本研究選取左線圍巖等級為V級，同時橫斷面形式為C型即馬蹄形開挖段，DBC52-1為地表沉降觀測點。

　　4淺埋暗挖隧道模型建立

　　4.1有限元分析程序簡介

　　巖土工程的計算分析中，通常采用數(shù)值方法進(jìn)行，在巖土中，通過有限元法(ABAQUS)，能夠?qū)⑷菀椎倪吔鐥l件、復(fù)雜形狀、幾何非線性、材料物理非線性進(jìn)行處理，因此在土工固結(jié)、滲流、變形、穩(wěn)定分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

　　ABAQUS包括單元模型、材料模型、荷載及邊界條件，能夠?qū)�動力、靜力等進(jìn)行求解，在進(jìn)行非線性問題的求解方面具有較好的效果，對巖土工程具有較好的適用性。本研究在分析隧道淺埋暗挖時，采用ABAQUS進(jìn)行三維建模有限元分析。根據(jù)施工區(qū)不同圍巖等級Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，斷面結(jié)構(gòu)分別采用A、B、C型，其中A型斷面的初期支護(hù)采用鋼筋網(wǎng)、砂漿錨桿、網(wǎng)噴混凝土;B型斷面的初期支護(hù)采用網(wǎng)噴早強(qiáng)混凝土、砂漿錨桿、鎖腳錨桿、縱向連接筋、鋼架網(wǎng)、格柵鋼架;C型斷面的支護(hù)結(jié)構(gòu)包括B型斷面的全部初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，在開挖隧道前要進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿的加固。在進(jìn)行隧道開挖時，周圍圍巖擾動范圍為4.5倍的隧道寬度范圍，隧道寬度為12.9m，隧道覆土厚度為47.5m，計算模型橫斷面高為90.5m，寬為70.5m。

　　4.2基本假定

　　將模型土體進(jìn)行簡化，形成三層土，且分布均勻，上層土為素填土，中層土為散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，下層土為微風(fēng)化花崗巖，其全部為均勻分布;因工程所在區(qū)域?qū)儆谘睾５貐^(qū)，其地質(zhì)多為淤泥地質(zhì)，在建立模型時將地下水滲流耦合忽略掉;施工區(qū)間覆土的深度為47.5m，將地面車輛行人等動荷載影響忽略掉;簡化錨桿支護(hù)注漿和超前小導(dǎo)管支護(hù)注漿模型，圍巖取注漿參數(shù)在注漿影響的3m范圍內(nèi)進(jìn)行等同簡化;在進(jìn)行實際開挖時，面下臺階的坡度為74.5°，面上臺階的坡度為80.5°，在進(jìn)行建模過程中，簡化上臺階和下臺階的斜坡。

　　4.3數(shù)值模擬計算過程及結(jié)果分析

　　4.3.1數(shù)值模擬計算過程

　　本工程采用正臺階法對隧道進(jìn)行開挖，隧道的縱向長度為6.5m，開挖臺階的長度為4.5m，在完成地應(yīng)力的平衡計算時，開始進(jìn)行第一次拱頂小導(dǎo)管注漿的超前加固，其中拱頂加固范圍為縱向3m，120°的區(qū)域。

　　4.3.2數(shù)據(jù)結(jié)果分析

　　a.對隧道開挖縱向中軸線地表沉降進(jìn)行分析。第1次開挖上臺階距洞口為1.0m后，在完成第1次上臺階1.0m的開挖后，通過對應(yīng)力云圖和位移云圖分析可知，在施工前，雖超前對小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，并超前對開挖面圍巖剛度進(jìn)行補(bǔ)償加固，在抑制地層變形，應(yīng)對豎向地應(yīng)力方面效果較好，但在較大地應(yīng)力作用下，沿隧道方向進(jìn)行面土體開挖時，仍然會有較大位移發(fā)生，這就造成地應(yīng)力在距離開挖面一定范圍內(nèi)進(jìn)行大量釋放。

　　地表沉降值在距離開挖面1.0m時為-23.372700mm，在距離開挖面7.0m時，其值為-23.372940mm，兩者的差值為0.000180mm，這也是對應(yīng)力和位移云圖顯示結(jié)果的驗證。在進(jìn)行隧道淺埋暗挖時，在一定程度上，開挖面的放坡對減少地應(yīng)力的釋放，維持開挖面的穩(wěn)定具有一定作用。第6次開挖上臺階距洞口為1.0m后，在完成第6次下臺階1.0m的開挖后，通過對應(yīng)力云圖和位移云圖分析可知，此時隧道上臺階剩1.0m的距離即將貫通，在距離洞口上臺階7.0m的重力方向，因小導(dǎo)管的超前加固，使下位移較小。

　　這表明在重力方向，支護(hù)結(jié)構(gòu)能對圍巖剛度抑制地層變形進(jìn)行很好的彌補(bǔ)，因垂直開挖面和支護(hù)結(jié)構(gòu)無法對地應(yīng)力的縱向釋放進(jìn)行抑制，受前期開挖造成地層的擾動，地應(yīng)力已完成釋放，地應(yīng)力釋放距離開挖面越近越多，同時開挖面也越具有較大位移，因此，縱向地應(yīng)力值在上臺階即將貫通時較小。

　　在每次進(jìn)行開挖時，因模型沿隧道縱向?qū)Φ貞?yīng)力釋放無有效抑制措施，上臺階在第一次開挖時距開挖面為1.0m，其沉降值與距離開挖面7.0m的地表沉降值近似相等，在前期進(jìn)行小導(dǎo)管的加固時，范圍僅為拱頂縱向3.0m區(qū)域，未加固距離開挖面3.0～7.0m的拱頂范圍，開挖面縱向地應(yīng)力大量釋放，造成開挖后，距離洞口1.0m的開挖面沉降值和距離洞口7.0m的地層沉降值基本相同。

　　隨著每次開挖對地層擾動造成地應(yīng)力持續(xù)釋放，地面的沉降值也在逐漸增大。在隧道貫通后，及時對二次襯砌背后進(jìn)行注漿后，地表沉降值有小幅回彈出現(xiàn)。施工全部完成后，與其他部位相比，拱頂應(yīng)力較大，位移量較小，這表明在進(jìn)行開挖時，控制拱頂以上地應(yīng)力的釋放非常重要，因而，在實際施工過程時，對開挖面進(jìn)行適當(dāng)放坡，從而對隧道縱向地應(yīng)力的釋放進(jìn)行抑制，同時及時進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的施做，由于地應(yīng)力釋放屬于一個逐漸釋放的過程，支護(hù)結(jié)構(gòu)施做越及時，對地應(yīng)力釋放的抑制效果越好。

　　地表沉降值在隧道中心軸線正上方最大，在橫斷面上，距離中心軸線越遠(yuǎn)，沉降值越小，因而，在工程實際施工時，觀測點主要為隧道中心正上方縱向沿線的沉降觀測點，這樣可將地表沉降的主要情況反應(yīng)出來，同時可將隧道開挖過程圍巖穩(wěn)定、地層穩(wěn)定性、隧道穩(wěn)定情況間接反應(yīng)出來。

　　5結(jié)論

　　a.隧道開挖縱向中軸線地表沉降表明，在一定程度上，開挖面的放坡對減少地應(yīng)力的釋放，維持開挖面的穩(wěn)定具有一定作用。在重力方向，支護(hù)結(jié)構(gòu)能對圍巖剛度抑制地層變形進(jìn)行很好地彌補(bǔ)，縱向地應(yīng)力值在上臺階即將完成貫通時較小。

　　b.地表沉降值在隧道中心軸線正上方最大，在橫斷面上，距離中心軸線越遠(yuǎn)，沉降值越小。在完成初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施加后，地表具有較小的后續(xù)沉降，在進(jìn)行二次襯砌施加后，地表沉降值趨于穩(wěn)定。

　　c.在開挖前地表沉降值為0，在地表觀測點，從完成正下方下臺階開挖到完成初期支護(hù)，地表出現(xiàn)25.42mm的沉降，在完成二次襯砌時，累計沉降為26.15mm。

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　　隧道工程師評職期刊：《隧道與軌道交通》秉承“科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、求實”的辦刊宗旨，始終圍繞隧道、軌道交通以及地下空間開發(fā)等工程建設(shè)，積極為廣大建設(shè)、設(shè)計、施工、管理單位/部門/個人搭建研討、交流工程技術(shù)的平臺，共發(fā)表技術(shù)論文1 900余篇。不少文章闡述、分析的工程建設(shè)領(lǐng)域前沿技術(shù)、工程案例為推動行業(yè)內(nèi)的技術(shù)進(jìn)步和科研開發(fā)發(fā)揮了積極的作用。