隧道开挖沉降问题的分析与控制

温曼

[摘 要]隧道开挖过程中一般会引起明显的地表沉降，掘进过程中，如不及时分析隧道沉降的主要原因，并采取适当的控制措施，则将会给隧道施工带来重大安全质量隐患。文章结合工程实例，通过计算模型的建立及分析，最终对隧道开挖沉降问题与控制进行了讨论。

[关键词]隧道开挖；沉降；问题分析与控制措施

文章编号：2095-4085（2015）03-0050-02

对于隧道开挖地表工后沉降预测，目前研究的方法也很多，但没有一个统一的标准。比如借助施工现场的实测数据，结合神经网络理论进行工后沉降预测，也有利用边界元方法对工后沉降进行计算，本文主要结合工程实例，通过计算模型的建立与分析，对进一步了解隧道开挖后沉降变化趋势及控制具有重要的现实意义。

1 工程概况

某地铁隧道设计全长1268.4 m，隧道埋深28m，隧道施工采用盾构法。隧道穿越地层多为粉质粘土和淤泥土质。地表水不发育，地下水主要为孔隙水和基岩风化层空隙水，隧道洞身位于地下水位以下，地质条件非常复杂。

2 计算模型建立

2.1 本构模型选取

土体具有明显的非线性特征，采用Mohr-Coulomb弹塑性模型对土体材料进行模拟中。MohrCoulomb屈服面函数为

F =Rmcq- ptan-c=0 （1）

式中：是q-p应力面上Mohr Coulomb屈服面的倾斜角，称为材料的摩擦角；c是材料的粘聚力；Rmc是控制屈服面在Ⅱ平面上的形状函数。图1给出了Mohr- Coulomb屈服面在子午面和兀平面上的形状，由图可以比较其与Drucker - Prager屈服面、Tresca屈服面、Mises屈服面之间的对比关系。

由图1可见，Mohr-Coulomb屈服面存在尖角，如采用相关的流动法则（即塑性势面与屈服面相同），将会在尖角处出现塑性流动方向不是唯一的现象，导致数值计算的烦琐、收敛缓慢。

2.2 模型参数选取

根据Gun（1997）建议，整个模型长取100 m，高取60 m。计算中，对模型两侧水平方向进行约束，对模型底边进行竖向约束。计算单元选择平面应变孔压单元，根据网格划分原则，对于应力变化比较集中的隧道开挖面洞口区域网格划分较密，而对于距离隧道开挖面较远的应力变化不是很明显的区域网格划分较粗。同时，开挖面洞口区域采用扫掠网格划分技术（ sweep），而对于开挖面较远的区域采用结构化网格划分技术（ structure）。隧道开挖计算主要是在静态分析步中完成。第一步，采用生死单元原理，杀死衬砌及注浆等代层单元，土体进行初始应力场平衡；第二步，对开挖面土体进行折减，折减量为40%；第三步，激活衬砌及注浆等代层单元；第四步，杀死开挖面土体单元，整个计算过程结束。由于土体材料的复杂性，计算中需要做出以下假设：整个计算过程仅考虑在重力场作用下进行，并认为土体材料是各项同性的。计算所需参考数据如表1所示：

2.3 计算结果分析

隧道开挖后，围岩变形主要集中在隧道开挖面洞口附近区域，且洞口上方形成一个沉降“槽”，最大变形值位于隧道开挖面洞口拱底区域，最大变形值为40 mm左右；洞口两侧围岩变形较洞口上下区域围岩变形小，且变形的值基本在15 mm左右。

隧道开挖后，横向地表影响区域为距离隧道中线一侧0-18 m，其中主沉降区为0-14 m左右，占主沉降的78%，最大沉降值位于隧道开挖面正上方地表，最大沉降值为4 mm左右；隧道开挖100天后，横向地表影响的区域变化不大，主沉降区略微增加，隧道上方地表最大沉降值为5 mm左右，工后沉降累计为Imm左右，累计沉降量较小，仅增加了25%。

3 隧道沉降变形的控制对策

3.1 严格执行18字原则

浅埋暗挖法在隧道施工中占有重要地位，是比较常用的具有我国特色的隧道施工方法。施工中的质量控制应严格按照管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测18字方针，除了领会期字面的意义，还应严格贯彻在施工中并掌握对工法的应用程度，以及后期的质量控制。

3.2 控制地下水的排放

严格减少或限制地下水的抽排，并确保在工作面稳定正常开挖的条件下进行。根据情况采取止水帷幕等阻断地下渗水通道，封堵部分地下水；缩短洞内排水的抽排时间，工作面开挖过后及时停止；稳定工作面应采取断面注浆、喷混凝土等措施；并根据具体地层条件，及时调整小导管、格栅支护参数、注浆参数，确保注浆效果。

3.3 两隧道之间保持一定的开挖距离

当两隧道的中心线距不大于3D时，必须考虑隧道作用的叠加影响，相对于沉降影响范围较大的软弱围岩，建议开挖后的两工作面距离控制在30m以上。

3.4 加强初期支护

对于浅埋暗挖隧道总刚度一定的条件下，控制地表沉降的有效措施之一就是要增大初期支护刚度。而初期支护采取混凝土喷层的措施，使开挖后地表沉降及隧道的稳定性得到有效控制及改善。但仅靠此种方法还不能有效控制地表沉降，实际施工中必须考虑超前支护及钢架，使沉降现象明显得到改善。

3.5 合理安排二次衬砌时间

隧道的软弱富水地层会随着渗排水出现大范围沉降，我们应及时实施二次衬砌保证软土隧道地层的稳定性，初期支护与二次衬砌间设防水层防水并及时填充两者之间的空隙、空洞等。在施工过程中，每开挖循环进尺50 cm就开始支护。

4 结束语

隧道开挖施工中当不得不穿越围岩条件较差地段时，首先就是要考虑确定适合地层条件的施工方法、缩短开挖进尺，控制好开挖距离，处理好降排水、施工与地表沉降三者的关系，另外就是以增大支护初期刚度，以控制地表沉降。