黄土地区隧道施工对地层扰动的影响研究

白阳阳　张文超

摘要：以西安五号线地铁某区间工程为依托，利用FLAC3D[1]差分软件模拟盾构过程，研究隧道开挖后地表变形及地层变形的扰动规律，以及隧道自身变形情况。通过三维数值模拟，研究隧道开挖对不同深度地层的影响。并得出了有关结论。

Abstract： Based on a section of Xi'an No. five subway， the FLAC3D differential software is used to simulate the process of shield tunnel. The surface deformation after tunnel excavation， the disturbance law of ground deformation， and the deformation of the tunnel are studied. The influence of tunnel excavation on different depth strata is studied by 3D numerical simulation. And some conclusions are drawn.

关键词：盾构施工；FLAC3D；地层变形

Key words： shield construction；FLAC3D；stratum deformation

中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）06-0136-02

0 引言

随着时代的发展城市地下空间利用可以有效缓解城市交通压力。盾构法施工由于其施工工期短、自动化程度高、噪音影响施工影响小等特点，在隧道建设中得到了广泛的应用。但是，由于盾构机的刀盘直径大于隧道拼装管片的外径，掘进开挖过程中，当盾构机尾部完全脱出，管片装配完成后，管片和土层之间会形成一个环形间隙，称为盾尾空隙。必然会造成地层变形，使相邻地表及建（构）筑物沉降或地下建筑物及基础发生沉降或偏移。徐前卫、尤春安、李大勇[2]通过对黄浦江行人观光隧道上部穿越建成的上海地铁2号线区间隧道建立了三维有限元计算模型，研究盾构推进而引起的地层变形的规律性并对已建隧道产生的施工影响进行了全面分析并给出了相关的结论。饶宇、夏元友、赵根等[3]以武汉地铁四号线某一区间隧道为研究对象，对该盾构区间隧道所获得的地表沉降的监测数据进行了分析和处理。对地铁隧道引起的地表沉降规律进行分析，探讨了建筑物与隧道轴线的距离、隧道埋深等因素对地表沉降的影响。吕政、江阿兰[4]通过对盾构隧道开挖对地表的影响，借助abaqus大型有限元分析软件、实际测量数据、Peck经验公式相对比的方法，综合分析了隧道开挖后地表的沉降变形规律。通过隧道盾构施工的数值模拟分析研究，为优化设计和施工提供具有指导意义的研究成果和工程实践经验。

1 工程实例模拟分析

1.1 工程概况 西安五号线一期工程西起和平村站，终点纺织城火车站。一期工程线路全长约26.01km，其中地下线长约24.88km。占全线长度的95%。由于隧道位于市内城区地下管线复杂地表建（构）筑物繁多对变形要求非常高。西安黄土地区地层条件复杂、地下水位较高，隧道从老旧的建筑物下方通过，为保证工程安全，设计选用能较好控制沉降，减少对周围环境影响的盾构法施工。为确保工程的全面顺利实施选取近南稍门段进行研究，区间隧道埋深约10.16～18.19m，线路最大纵坡24.22‰，最小纵坡2‰。区间隧道主要穿越的地层为：古土壤、老黄土层、粉质黏土。其中：老黄土自稳性较差；古土壤土质不均匀，团粒结构，含钙质条纹及钙质结核。区间上方存在新黄土，为湿陷性土层。区间水位埋深约9.5m～12.1m。

1.2 模型建立

1.2.1 模型范围的确定及边界条件的选取 模型范围的确定及边界条件的选取根据地质资料显示，五号线的地质情况比较复杂，为此选地层共分5层，从上到下依次为：素填土、新黄土1、新黄土2、古土壤、粉质黏土。上层边界取至地表，下边界和左右右边界都取大于隧道洞径（6m）的3倍进行计算，长度取36m。此次模拟隧道埋深为18m。管片厚度取35cm。全部计算区域共划分为83324节点，78228单元。计算时应用位移约束固定左右边界，前后边界及下边界，上边界取为自由边界。其计算地质模型及单元网格划分如图1所示。

1.2.2 计算参数的选取 本构选取本次模拟土体采用用摩尔库伦，对隧道管片材料为弹性模型，本模型使用了FLAC中的“空模型”（Model Null）能来模拟土体开挖和支护施工。所谓“空模型”（Model Null），即是将开挖单元从岩或土体模型中移去，但是与之相关联的单元部分仍保留在原空间位置；将隧道的开挖过程用FLAC中的“空模型”（Model Null）功能来模拟即为：开挖（将开挖部分设置为“空单元”）进行支护，计算，使之达到平衡。具体参数如表1、表2。

1.2.3 此次模拟对隧道上方6m、12m、18m（地表）处进行竖向及水平位移监测分别为A、B、C测线。具体如图2。1.3 计算与结果分析 通过分析发现隧道施工不仅影响地表及地表结构物，对下部地层及其结构物也有很大的影响。

由图3-图6可以看出地层沉降规律与地表规律“相似”，隧道施工后地层及地表沉降与Peck提出的盾构施工引起地面横向沉降槽公式所计算出的结果相同，但其对不同深度的沉降量不同。

①沉降最大处位于盾构中心。在地表处即A测线最大沉降量为22.6mm，B测线最大沉降量为26.0mm，C测线最大沉降量为35.1mm，此外盾构中心及其周围（此次模拟约在小于8m处），随着距地表距离越小竖向沉降量逐渐减小。②距离盾构中心盾构中心越远（此次模拟约在大于8m处），随着距地表距离越小竖向沉降量逐渐增大。③距离盾构中心盾构中心越远（此次模拟约在大于12m处），随着距地表距离越小水平侧移量逐渐增大。④盾构中心及其周围（此次模拟约在小于12m处），地层侧移量均变大，故在设计过程中注意加固及绕开近距离地下建筑物。

2 结论

通过对西安五号线某区间工况进行分析，建立了三维有限元计算模型研究了由于盾构施工对不同深度土层及地表形进行分析，得出以下结论。

①隧道施工后地层及地表沉降与Peck[5]提出的盾构施工引起地面横向沉降槽公式所计算出的结果相同，但其对不同深度的沉降量不同。②隧道施工后距离盾构中心远距离区地表沉降量、水平侧移量均大于下部地层，但其沉降及侧移量均较小。③隧道施工后距离盾构中心近距离地表沉降量、水平侧移量均较大，在地表及深部地层侧移量大于中部土层的侧移量。故应注意对地表及深部地下建筑的侧向变形实施监控，设计工作应充分考虑路线的的选取避免近距离盾构施工，在施工过程中对隧道及周围建筑物的影响实施监测，或采取加固措施，防止安全事故的发生。

参考文献：

[1]孙书伟，林杭，任连伟.FLAC3D在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

[2]徐前卫，尤春安，李大勇.盾构近距离穿越已建隧道的施工影响分析[J].岩土力学，2004，25（增刊）：95-100.

[3]吕政，江阿兰.隧道盾构法开挖对地表沉降变形的影响[J].低温建筑技术，2013，176（2）：106-108.

[4]饶宇，夏元友，赵根，等.影响盾构隧道地表沉降的多因素分析[J].四川大学学报（工程科学版），2012，44（4）：6-11.

[5]韩煊，李宁.Peck公式在我国隧道施工地面变形预测中的适用性分析[J].岩土力学，2007，28（1）：23-29.