平行隧道施工对路面基础沉降的影响

高　飞，李长庆，倪　博，查传明

(1.中国交通建设集团第一公路工程局 第五工程有限公司，北京 100024；2.国家电网新 疆经济技术研究院，乌鲁木齐 830011)

平行隧道施工对路面基础沉降的影响

高飞1，李长庆2，倪博2，查传明2

(1.中国交通建设集团第一公路工程局 第五工程有限公司，北京 100024；2.国家电网新 疆经济技术研究院，乌鲁木齐 830011)

摘要：城市中修建隧道不可避免会对地面建筑产生影响，所以需要对隧道施工产生的地表位移进行研究。以双孔大小隧道为例,垂直穿越地表基础，利用Midas/gts模拟两个隧道施工对地表基础的影响，分别分析出了施工沉降和固结沉降。结果表明，大小隧道同时施工沉降值比单独隧道施工时大，固结沉降在总沉降中占主要比例，大隧道施工对沉降的影响比小隧道大，总沉降最大值出现在大小隧道交界区域。需要定期监测。

关键词：隧道；沉降；固结

我国隧道及地下工程事业自20世纪80年代，特别是进入21世纪以来随着综合国力的不断提升、经济的快速发展及高新技术的不断应用得到了前所未有的迅速发展。我国正处于社会主义经济发展的重要时期，而基础设施建设在国民经济中一直占有举足轻重的地位。土地资源的合理运用制约着城市的发展，合理开发土地空间不仅可以满足人文景观的要求，还可以缓解土地资源稀缺和城市发展之间的矛盾。近年来，由于我国经济的迅速发展、城市人口的急剧增长以及复杂的国际局势和我国周边态势，为解决人口流动与就业点相对集中给交通、环境等带来的压力，满足国家环境和局势变化需求，修建各种各样的隧道及地下工程已成为必然趋势，这给隧道及地下工程(如城市地铁、电缆隧道、公路隧道、铁路隧道、市政管道)的发展建设带来了机遇。隧道及地下工程事业的发展有利于国土资源的充分开发利用，具有环保和节能优势，特别是在改变我国水资源条件及油气能源储备等方面，具有重要的作用[1-5]。

隧道施工会引起地层应力变化，其中包括土层扰动，地层损失以及地质力学的参数变化，这些因素都会引起地层沉降,严重的地层沉降会导致建筑物的倾斜，甚至会倒塌等重大事故，并且黏土和粉土完成的固结时间较长，土体固结沉降在后期沉降中占有主要比例，粉土和粉质黏土特性较差，土的灵敏度高，扰动固结导致沉降量大，因此有必要对固结引起的沉降做出一定分析。在平行隧道施工条件下，比单个隧道施工影响更大。为了对工程提供一定的指导和借鉴作用,有必要对双孔平行隧道施工地表位移进行研究。因此研究平行隧道下穿路面基础所引起的沉降的大小具一定的现实意义[6,7]。

1三维有限元模拟

由于土体材料力学性能及初始应力状态的复杂性，越来越多的地下工程分析应用了数值模拟的方法。数值模拟在定义土体材料、施工阶段、结构的力学特性等方面比较容易，而且可以模拟开挖隧道的施工全过程。数值模拟为隧道模拟提供了很大的便利。

结合有限元分析软件Midas/Gts对平行隧道下穿路面基础所引起的变形进行分析，提高了施工过程中的可预见性，减少了施工所存在的风险，对以后类似的工程具有一定的借鉴意义。

1.1工程概况

某地区要开挖两个隧道，用于敷设220 kV电缆，地表土层为黏土，下层土为粉土土层，路面基础宽2 m，隧道半径分别为1 m和1.5 m，衬砌规格为0.25 m，采用人工暗挖法，开挖深度定为5 m，地表路面为沥青混凝土路面。

1.2基本参数

利用有限元软件Midas/Gts建立土体-隧道-基础三维模型，土体、基础采用实体单元，衬砌采用板单元，土体本构关系采用摩尔库伦准则，基础和衬砌为弹性本构关系[8,9]，范围取20×20×20 m3，其中上层为粘土厚度2m，下层为粉土，地表均布荷载为20 kN/M2。具体参数如表1。

表1　基本参数

1.3边界条件

施加法向约束条件及自重条件，根据工程建设的实际情况，选用位移边界，即:XY平面上只施加Z向的约束，XZ面上只施加Y向的约束，YZ面上只施加X向的约束，自重方向及大小分别为Z方向及-1。

1.4数值模拟

利用以下步骤模拟隧道掘进的施工过程：

(1)先将需要激活的单元及荷载、约束条件激活；

(2)将开挖范围的土体单元钝化，同时生成衬砌。

网格划分如图1。隧道单独施工及一起施工情况下的沉降图如图2-图5。

图1 网格划分图2 大隧道单独施工时的沉降图图3 小隧道单独施工时的沉降图图4 两隧道平行施工时的沉降图

名称大隧道单独小隧道氮素平行施工(大/小)交叉区域地表施工沉降-6.3-3.5-8.47/-6.9-8.5

对以上数据(包括表2)进行分析可以看出，大隧道单独施工时对路基基础的位移影响是6.3 mm,而小隧道单独施工时对路基基础的位移影响是3.5 mm，当两个隧道平行施工时，大小隧道顶部的沉降值分别增加到6.9 mm和8.47 mm，可见当两个隧道平行施工时对土体扰动较大，地表沉降较大，地表沉降的最大值出现在两个隧道交界区域可达到8.5 mm(如图5)。

2二维固结分析

隧道施工对土体的扰动是由于施工产生的附加应力施加于土体中改变了土体的力学性能。离地表越近，对土体扰动越大。固结过程的实质就是有效应力的增长和孔隙水压力的消散。为了分析土体后期固结沉降，采用二维平面应变单元分析土体固结。

2.1基本参数

基础、土体为平面单元，衬砌为线单元，黏土和粉土的渗透系数分别为0.000 36 m/d和0.048 m/d(kx=ky=kz)，水位为0米，取膨胀角等于摩擦角，由于二维分析是X-Y平面，所以自重方向是Y轴，其他参数如表1。

2.2网格划分及边界条件

定义排水边界条件，我们认为土体四周是不排水的，在黏土与基础接触面是排水的，且节点水头数值为其相应的高度即19.5 m，衬砌排水条件为压力水头为0 m，表面支撑条件为法向约束。网格划分如图6。

图6 网格划分图7 地表基础中心后期固结沉降图8 隧道上方地表基础固结沉降图9 Peck地层横向沉降曲线

图10　施工沉降折线图

从图7-图8可以看出，大小隧道正上方地表基础固结沉降值分别为28.7 mm、30 mm,两个隧道中间区域地表基础沉降达到31.2 mm，这是由于两个隧道中间区域土体扰动较大造成的。

目前计算隧道施工引起的地面沉降的诸多方法中以Peck公式最为著名[10]。根据沉降槽的形状和Peck曲线进行对比来验证结果的正确性，形状大体吻合，由此推出模拟的正确性。折线图如图10-图12，Peck沉降槽曲线如图9。

图11 固结沉降折线图图12 总沉降折线图

提取节点的沉降值如下表：

表3　节点沉降值

3沉降分析

从表4中可以看出总沉降值都超出了30 mm，大隧道对土体的扰动程度明显大于小隧道，这才导致沉降从小隧道向大隧道方向递增，在交叉区域地表沉降达到了39.7 mm，沉降较大，后期固结沉降占有很大比例，所以要特别注意后期沉降。

表4　沉降汇总(单位：mm)

4结论

本文通过以平行隧道下穿既有路面基础为背景，利用Midas/Gts有限元软件，对基础在隧道开挖过程中的变形进行总结。随后采用有限元软件对该过程进行数值模拟，本文主要结论如下:

(1)在平行隧道施工的情况下，大小隧道上方路面基础施工沉降分别是8.5 mm和6.9 mm，沉降不是特别明显，大口径隧道对沉降影响较大；固结沉降分别达到30 mm和28.7 mm，分别占总沉降的78%和81%，后期沉降比例较大。

(2)两个隧道施工比单个隧道施工对土体的影响大,并且施工对两个隧道交界区域的沉降影响较大，在此区域总沉降最大，路面基础总沉降超过了30 mm，最大达到39.7 mm，需要进行加固。

5结束语

21世纪将是隧道及地下工程建设的高峰期，土地资源的稀缺及人口的增加都会促使地下工程的发展。尤其是电缆隧道的地下化将会成为一种趋势。未来，隧道及地下工程建设面临重大机遇和挑战。我国的隧道及地下工程建设己经取得了辉煌的成就，随着我国经济的不断发展，施工技术、方法和设备的不断进步，管理和各类规范的不断完善，展望未来，我国隧道及地下工程事业将会有更大的进步及更为广阔的发展空间。面对机遇和挑战，分析我国隧道及地下工程的发展现状，总结近年来的技术发展与创新，对推动我国隧道及地下工程的进一步发展有积极的意义。

参考文献

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TheInfluence of Parallel Tunnel Construction of Road Foundation Settlement

GAO Fei1,LI Chang-qing2,NI Bo2,ZHA Chuan-ming2

(1.The Fifth Engineering Company,LTD of China Transportation First Company,Beijing10024;2.Economic Institute of Technology of State Grid in Xinjiang,Wulumuqi,83011)

Abstract：In the city，building the tunnel will inevitably affect the ground buildings,so tunnel construction of surface displacement needing to be studied.Taking double orifice size tunnel as an example,vertical through the earth’s surface,using Midas/GTS simulates the influence of both the foundation of the earth’s surface caused by tunnel construction,analysing the construction settlement and consolidation settlement respectively.Results show that two tunnel construction settlement value is larger than the single tunnel construction at the same time,consolidation settlement is in a major proportion of the total settlement,tunnel construction settlement is larger than that of small tunnel,the maximum of total settlement appears during two tunnel border area.

Key words：Tunnel；Settlement；Consolidation

收稿日期：2016-04-15

作者简介：高飞(1979-)，吉林省吉林市人，中国交通建设集团第一公路工程局第五工程有限公司总工程师，硕士，主要研究方向：工程施工管理.

文章编号：1005-2992(2016)03-0096-06

中图分类号：TU9

文献标识码：A