城市地铁施工诱发地表沉降及影响因素数值分析

摘要：文章以西南某地区地铁工程为例，采用有限元软件MIDAS/GTS建立数值分析模型，将数值模拟结果与实测数据进行对比，并分别探讨了不同锚杆长度和锚杆间距、不同开挖方法条件下以及采用小导管注浆前后的地表沉降变化规律。结果表明：地表沉降数值模拟结果与实测数据基本吻合，隧道拱顶、拱腰和拱顶正上方地表处的实测最大值与数值模拟值误差均在10%以内，证明了模型的准确性;减小锚杆间距和增大锚杆长度可以有效地减小地表和拱顶沉降，且增大锚杆长度在减小地表沉降方面表现更为优越;采用双侧壁导坑法和保留核心土台阶法能有效控制地表沉降，且采用双侧壁导坑法时效果最优;采用小导管注浆之后能使地表沉降减小34.6%，具有较好的实际效果。

关键词：隧道工程;数值模拟;锚杆;开挖方法;小导管注浆

0 引言

近年来，随着城市化进程的加速，越来越多的城市开始规划和建设地铁。在地铁的建设过程中，也遇到了一些问题，诸如隧道开挖诱发上覆地表过大沉降、邻近建筑物被破坏以及邻近地下管线被破坏等，严重威胁城市道路的安全及影响相关设施的运营，尤其是引起的地表沉降，当沉降值过大时不仅会造成巨大的经济损失，还可能会导致工程事故，威胁人们的生命安全。近年来，一些学者进行了相关研究，主要有：吴贤国、陈华等人[1-2]主要研究土体的内摩擦角、内聚力等多个指标对地表沉降的影响，并分析了地铁盾构施工引起地表沉降的原因及控制方法;王璐、廖利钊等人[3-4]结合西安地铁进行了探讨，采用FLAC3D对盾构推进过程进行了模拟，分析了隧道纵向沉降分布规律、黄土特性对盾构法施工中地表沉降的影响，得出了黄土地区地表沉降的一般规律;洪源等人[5]采用FLAC3D对深圳某地铁线隧道盾构施工进行数值模拟，分析了不同施工阶段的地表变形及其影响因素，分析结果表明随着盾构掘进的推进，地表沉降范围不断扩大，最大沉降值也不断提高;周宪伟等人[6]采用ANSYS有限元软件对盾构隧道动态开挖过程进行数值模拟，并考虑了土体的分层特性、土体材料的本构非线性以及注浆施工对土体变形的影响，提出了考虑衬砌与土体共同作用的硐周结点荷载释放系数法。

本文主要以西南某地区地铁工程为例，采用有限元软件MIDAS/GTS建立数值分析模型，并将数值模拟结果与实测数据进行对比，之后分别探讨不同锚杆长度和锚杆间距、不同开挖方法条件下以及采用小导管注浆前后的地表沉降变化规律，研究结果和相关结论可为工程设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

西南地某地铁工程YK12+624～YK14+328区间采用暗挖法施工，全长1 704 m，下穿主城区繁华的步行街道，地表交通四通八达，地下管线、污水管道错综复杂。该区间内隧道设计埋深12～17 m，整体呈现出南高北低的地势。在该区段内，主要以杂填土、黄土、黏土以及粉质黏土为主，其中隧道下穿区域以黄土和黏土为主。工程区内无地表水存在，地下水埋深在16.5～21.5 m范围内。隧道按照双侧壁导坑法施工。图1为隧道断面示意图，隧道最大内径为5.8 m，衬砌厚度为60 cm。

2 数值建模

如图2（a）所示，为采用有限元软件MIDAS/GTS建立的数值分析模型。由于隧道埋深较浅，建模时模型上表面即为地表，模型左右、前后边界以及底部均可进行位移和边界约束。土体本构模型采用摩尔库伦本构模型。隧道断面尺寸按照原始尺寸取值，模型长、宽、高分别为100 m、10 m和60 m，网格共计16 786个，其中土体采用实体单元。[JP]隧道支護包括两部分：即初期支护和二次支护。其中初期支护为“喷浆+锚杆支护”，喷浆厚度为25 cm;二次支护为修筑衬砌，厚度为35 cm。初期支护喷射混凝土和二次支护分别采用C25和C30混凝土，采用实体单元建模。如图2（b）所示，为隧道模型和锚杆布置，锚杆长度为3.0 m，直径为25 mm，间距为2 m，横断面上共计32根。表1给出了模型从上至下的土体物理力学参数。

3 数值模拟结果分析

3.1 数值模拟结果与现场实测结果对比分析

如下页图3所示，为了验证数值模拟结果的正确性，将有限元模型地表沉降数据提取出来并与现场实测数据进行对比。由图3可知，数值模拟结果与实测数据基本吻合，隧道正上方地表处实测沉降最大值为17.8 mm，数值模拟结果最大值为19.2 mm，二者曲线均呈现出高斯分布形式。

如图4所示，为实测隧道拱顶、拱腰和拱顶正上方地表处A点随时间的沉降曲线，在初期，三者沉降速率均较快，20 d之后沉降速率逐渐放缓，最终在80 d左右逐渐趋于稳定。对比三者可知，地表最大沉降大于隧道内壁拱顶沉降，拱腰水平收敛值最小。表2给出了隧道拱顶、拱腰和拱顶正上方地表处A点的实测最大值与数值模拟值，三者误差均在10%以内，也证明了模型的准确性。

3.2 不同锚杆长度和间距条件下的支护效果分析

为了探究不同锚杆长度和间距条件下的支护效果，本文拟定三种工况：（1）工况一：锚杆间距为1.5 m，长度取3.0 m;（2）工况二：锚杆间距为2.0 m，长度取3.0 m，该工况即为实际施工采用的锚杆尺寸和间距;（3）工况三：锚杆间距为1.5 m，长度取2.5 m。模型其他取值不变。通过监测拱顶和地表沉降值来显示每种工况的支护效果，如图5所示（图中地表沉降即指隧道正上方地表A点沉降，下同）。图中箭头表示隧道的开挖方向，可以看到在掌子面处，已经有些许沉降，这与掌子面处的土体已经受扰动有关。随着隧道不断往前推进，拱顶和地表沉降缓慢趋于稳定。对于工况一，拱顶和地表稳定后沉降分别为13.5 mm和17.4 mm;对于工况二，拱顶和地表稳定后沉降分别为17.1 mm和19.2 mm;对于工况三，拱顶和地表稳定后沉降分别为16.7 mm和21.0 mm。对比工况一和工况二，相同锚杆长度时，当锚杆间距减小0.5 m时，拱顶和地表沉降分别减小了21.1%和9.4%;对比工况一和工况三，相同锚杆间距时，当锚杆长度增大0.5 m时，拱顶和地表沉降分别减小了19.2%和17.1%。由此可知，减小锚杆间距和增大锚杆长度都可以有效地减小地表和拱顶沉降，且增大锚杆长度在减小地表沉降方面表现更为优越。

3.3 不同开挖方法时地表沉降对比分析

为了探究不同开挖方法的优越性，本节将双侧壁导坑法、保留核心土台阶法以及全断面法进行对比分析，模型其他取值不变，开挖步及距离参考文献[7]。如图6所示，对比三者可知，采用双侧壁导坑法时地表沉降最小，其次是保留核心土台阶法，最大的是全断面法，三者最大沉降值分别为17.8 mm、21.4 mm和71.8 mm。相对于全断面法，采用双侧壁导坑法和保留核心土台阶法时沉降分别减小了75.2%和70.2%，说明采用双侧壁导坑法和保留核心土台阶法能有效控制地表等沉降，且采用双侧壁导坑法时效果最优。

3.4 采用小导管注浆前后地表沉降对比分析

在隧道工程中，采用小导管注浆加固地层是非常重要的方法，本工程采用小导管注浆，注浆范围如图7所示，加固厚度为1.0 m，加固宽度为5 m。图8展示了注浆前后的地表沉降值。由图8可知，采用小导管注浆能显著减小地表沉降，未采用小导管注浆时最大沉降为18.5 mm，而采用小导管注浆之后沉降变为12.1 mm，采用之后能使沉降减小34.6%，说明采用小导管注浆加固地层具有较好的实际效果。

4 结语

本文以西南某地区地铁工程为例，采用有限元软件MIDAS/GTS建立了数值分析模型，并将数值模拟结果与实测数据进行了对比，探讨了不同锚杆长度和锚杆间距、不同开挖方法条件下以及采用小导管注浆前后的地表沉降变化规律，具体结论如下：

（1）地表沉降数值模拟结果与实测数据基本吻合，隧道正上方地表处实测沉降值为17.8 mm，数值模拟结果最大值为19.2 mm。隧道拱顶、拱腰和拱顶正上方地表处的实测最大值与数值模拟值误差均在10%以内，证明了模型的准确性。

（2）相同锚杆长度条件下，当锚杆间距减小0.5 m时，拱顶和地表沉降分别减小了21.1%和9.4%;相同锚杆间距条件下，当锚杆长度增大0.5 m时，拱顶和地表沉降分别减小了19.2%和17.1%。减小锚杆间距和增大锚杆长度均可以有效地减小地表和拱顶沉降，且增大锚杆长度在减小地表沉降方面表現更为优越。

（3）相对于全断面法，采用双侧壁导坑法和保留核心土台阶法时沉降分别减小了75.2%和70.2%，说明采用双侧壁导坑法和保留核心土台阶法均能有效控制地表等沉降，且采用双侧壁导坑法时效果最优。

（4）采用小导管注浆后能使地表沉降减小34.6%，即小导管注浆加固地层具有较好的实际效果。

[1]吴贤国，王彦红，缪 翔，等.地铁盾构施工诱发地表沉降关键影响因素分析[J].土木建筑与环境工程，2015，37（2）：8-15.

[2]陈 华.对地铁盾构施工引起的地表沉降研究分析[J].四川水泥，2018，267（11）：263.

[3]王 璐，刘晓文.西安地铁盾构施工引起地表沉降规律分析[J].甘肃科学学报，2010，22（3）：149-152.

[4]廖利钊，郭 谱，杨 俊.地铁隧道盾构施工地表变形影响因素分析[J].土木建筑工程信息技术，2016（2）：84-89.

[5]洪 源.盾构法隧道施工地表沉降变形模拟分析[J].铁道建筑，2012（4）：65-67.

[6]周宪伟，王幼青，李德海.盾构法隧道施工引起地表变形分析[J].低温建筑技术，2009（2）：96-98.

[7]李茂良，龙钦初.不同开挖方式下浅埋隧道施工数值模拟分析[J].湖南交通科技，2016（2）：221-223.

作者简介：廖忠波（1976—），工程师、经济师，主要从事铁路、市政、公路等基础设施工程的管理工作。