孟益平，徐林海

地铁隧道开挖引起地表沉降的数值模拟研究

孟益平，徐林海

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009）

大中型城市修建地铁是未来城市建设的一个重要方向，但是城市中环境复杂，地表沉降控制要求严格。因此，研究隧道开挖地表沉降变化规律，对沉降控制具有重要的实践意义。文章运用有限元数值模拟方法对青岛某标段地铁隧道工程进行分析，结合数值计算结果与现场实测数据，研究隧道在由断面开挖对地面沉降变化规律的影响，对比实际隧道开挖的监控数据，模拟结果表明，地表沉降仍在安全范围内，可以为类似工程沉降控制提供参考。

地表沉降；数值模拟；断面转换；地铁隧道。

0　引　言

城市地铁隧道的开挖建造，难免造成土层的扰动和损失，这是导致地面沉降的主要原因。再加上不同的施工技术、城市环境和土质的复杂性等不确定性[1～2]，必然对地层的移动和地表的沦陷带来一定量的影响。为降低隧道工程建造对地表产生的不利影响，尽可能减少不必要的经济损失，有必要对预测隧道施工引起的地表变形和沉降的方法进行更深一步研究。

随着有限元仿真软件的发展，数值模拟法在地下工程中的应用越来越广泛，在研究地下隧道施工过程、施工引起的土体扰动、地层和地表沉降等问题上发挥了重要的作用。刘洪洲等[3]就运用有限元法研究、分析了各种不同因素对地层和地表沉降的影响，对隧道开挖过程中地层沉降的规律做出了详细总结。

本文针对青岛某标段地铁隧道施工开挖工程，综合考虑实际地质调查和施工方案的基础上，建立了断面转换开挖模型，计算分析断面转换引起的地表沉降的特征，提出隧道开挖施工过程中需要注意控制地面沉降的措施工法等，并结合施工过程和后期监测沉降值进行对比分析，检验了模型的有效性；为隧道断面转换的施工方法和隧道支护方法的优化，控制隧道断面开挖掘进引起的地表沉降提供有力参考。

1　工程概况

1.1工程地质概况

青岛某标段地铁隧道工程。线路两侧建筑物密布，多为德国砌体建筑群，部分区段有高层建筑，且地面车流量大。本区间隧道经过的岩层主要为中-微风化岩花岗岩、煌斑岩，围岩分级为Ⅱ～Ⅲ级。第四系主要由全新统人工填土、全新统冲洪积层、上更新统冲洪积层组成。基岩主要为燕山晚期侵入花岗岩及煌斑岩脉岩，特点是煌斑岩呈脉状穿插于花岗岩内，于不同岩性接触带见有碎裂岩。地下水类型主要为强-中风化基岩裂隙水，分为风化裂隙水、构造裂隙水，主要含水层为强、中风化岩带，属弱透水性地层，富水性较差。

1.2断 面工程概况

研究里程范围K0+275.5-K0+331.8（右线），区间隧道断面形式为单洞单线和单洞双线两种，结构断面变化大，开挖跨度大，工序多，干扰大，施工技术难度高。

该体系转换单洞双线大断面变换为单洞单线隧道。大断面隧道拱顶埋深为19.5 m，大断面最大开挖高度为10.026 m，最大宽度14.5 m；断面开挖基本处于花岗岩层中。小断面采用全断面法进行开挖，小断面最大开挖高度为6.16 m，最大宽度5.6 m，两隧道中心间距为8m。临界断面K0+305.5断面对应地表为广西路路面。

隧道采用爆破开挖方法，初期支护采用单层钢筋网+喷射混凝土+梅花形布置的砂浆锚杆联合支护，二衬为复合式衬砌结构。

2　数值模型的建立

2.1 数值模型的建立

（1）模型尺寸：整体模型尺寸为，隧道走向65.27 m，宽60 m，厚度55 m，满足消除边界效应的尺寸要求；

图1　隧道网格划分示意图

（2）地层划分：从上到下依次为素填土2 m，花岗岩63.27 m；

（3）断面尺寸：大洞宽14.5 m，高10 m，小洞宽5.6 m，高6.26 m，如图1、2所示模型；

（4）四周边界均施加法线方向约束，模型底部边界约束法线和纵轴方向约束；

（5）模型整体受自重应力荷载作用；

（6）土体的开挖过程模拟和支护作用的实现通过单元生死控制来实现；

（7）围岩采用Sold单元进行模拟，Shell单元模拟一衬，Link单元模拟砂浆锚杆；

（8）考虑初始应力条件[4]。

2.2岩体破坏准则

岩石的破坏准则的选取取决于岩体的性质和实际的受力状况。

岩体爆破粉碎区是岩体受压所致[5]，采用Mises破坏准则,压碎去岩体破坏准则为:

式中：σVM为岩体中任意一点的Vom Mises有效应力；σcd为岩体的单轴动态抗压强度。

常见的爆破岩体，近似统一使用下式表达岩体动态抗压强度与静态抗压强度之间的关系

式中：cσ为岩体的单轴静态抗压强度；ε为加载应变率。

而裂缝区则是受拉破坏的结果，采用最大拉应力破坏准则，在压碎区外岩体破坏准则为:

式中，tσ为岩体中任一点在爆破荷载下所受的拉应力；σtd为岩体单轴动态抗拉强度。

在岩石工程爆破的加载应变率范围内可取

式中：tσ为岩体单轴抗拉强度。

表1　岩土材料力学参数

2.3岩土及等材料物理力学参数

模拟最终采用的修正的材料参数[6]如表1。

3　计算结果分析

3.1断面转换分析

大断面转为小断面，虽然开挖面积减小了，但是转为两左右洞之后，两洞之间距离较近，通过数值模拟计算发现转换面处，小洞拱部位置存在应力集中现象，转换前后应力明显增大。

图3应力集中区域主要是发生在已开挖大断面隧道拱脚位置，施工时应注意对应力集中区域的加固保护。

图3　应力云图局部放大

数值模拟情况：平顶暗挖隧道已开挖支护完成，转为小断面之后分九次开挖，分步开挖过程中选取地面18个节点作为监控量测点，测点间距为3 m，距转换面距离为负值代表掌子面掘进方向。提取计算结果得到测点位置沉降的曲线图如图4、图5所示。

由图4可以发现随着开挖掌子面的推进，地面测点沉降数值越来越大，且在开挖掌子面距转换面距离增大的同时，沉降数值曲线逐渐趋于平缓。开挖引起的转换面沉降值越来越小，即开挖对转换面的影响随着掌子面的推进越来越小。由图5可以发现随着开挖掌子面的推进拱顶沉降变化曲线变化平缓，同样反映了随着掌子面的推进，开挖对转换面的影响越来越小，并最终趋于稳定值。

计算得到开挖断面的竖直方向位移云图如图6（1、7步开挖竖直方向位移）。

图4　随着开挖次数的增加地面测点沉降累积量曲线

图5　每一次开挖引起的地面沉降值

选择跟踪了里程K0+321的一点为追踪点，模拟沉降量与施工过程中实测沉降量对比如下图7所示，如图可知，数值模拟结构与实测监控得到的地面沉降数据基本吻合，可以验证模型的有效性。

a 第一步开挖开挖面竖向位移云图

图6　1、7步开挖y方向位移

图7　模拟沉降与实测沉降对比图

3.2 模拟结果误差分析

模拟掘进得到的地面沉降结果大部分位于实测沉降图形下面，整体得到的数据较小，考虑到实测时使用的是电子水准仪，测量时环境，包括空气潮湿度，地面震动等[7]因素，理论分析结果与实测基本相符，沉降总体在可控范围之内。

4　结论

（1）由沉降累积曲线可以得到在大断面转小断面开挖过程中，由于随隧道开挖的掘进，沉降值会累积叠加，所以在开挖过程中要随挖随支，隧道支护要紧跟掌子面的推进，从转换面处的累积沉降量来看，九次开挖总共下沉0.45 mm，数值在可控范围内。

（2）沉降累积曲线的变化趋势，最终均趋向于平缓稳定值，提醒我们在断面转换初期要加强监控量测的频率，而后期可以降低监测频率。

（3）该青岛地铁隧道开挖工程的数值模拟结果与实际变形监测曲线变化曲线相一致，由此可见，在实际工程中，可以通过数值模拟的方法，预测隧道开挖引起的沉降，并可以根据地表沉降的容许值，合理的调整隧道断面支护和其它辅助施工方案，从而保障隧道施工的安全，减小施工对地表的影响，并合理的节约成本。

[1]钱七虎.迎接我国城市地下空间开发高潮[J].岩土工程学报,1998(01):112-113.

[2]刘宝琛.急待深入研究的地铁建设中的岩土力学课题[J].铁道建筑技术,2000(03):1-3.

[3]刘洪洲,孙钧.软土隧道盾构推进中地面沉降影响因素的数值法研究[J].现代隧道技术,2001(06):24-28.

[4]吴波.复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降研究[D].成都:西南交通大学,2003.

[5]李莹.高应力岩体爆破作用效果的数值模拟[D].沈阳:东北大学,2013.

[6]李永树,肖林萍.地面沉降预测参数的变化规律与计算方法[J].西南交通大学学报,2006(04):424-428.

[7]杨福麟,刘永林,胡斌.武汉地铁隧道开挖引起地表沉降的数值模拟研究[J].工程地质学报,2013(01):85-91.

Numerical Simulation Study of the Impact of Excavation of Metro Tunnels on Land Subsidence

MENG Yiping， XU Linhai
(School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The construction of subways is important in the development of large and medium-sized cities, but the urban environment is complicated, and the control of the surface subsidence needs to be strict. Therefore, it is of great practical significance to study the change regulation of tunnel excavation. In this paper, a metro tunnel engineering in Qingdao is analyzed by the numerical simulation method. The ground subsidence change regulation in the construction of the tunnel with conversion section is studied with the results of numerical calculation and the field measure data. The monitoring data and the simulation data are compared. The results show that the ground subsidence is controlled in safe scale, and it can provide reference for the study of ground surface subsidence in similar projects.

Surface subsidence; Numerical simulation; Section conversion; Metro tunnel.

U456

A

2095-8382(2016)03-008-04

10.11921/j.issn.2095-8382.20160302

2015-12-02

孟益平（1964－），男，副教授，主要研究方向：工程力学。