地铁浅埋暗挖通道施工对地表沉降影响的数值模拟分析

2021-07-21涂美吉

现代城市轨道交通 2021年7期

涂美吉

（浙江数智交院科技股份有限公司，浙江杭州 310031）

1 研究背景

随着城市的快速发展，各大城市轨道交通网络越来越密集。在工程实际施工过程中，往往会由于受周边建（构）筑物（如市政管线、已建地铁车站及区间隧道等）的限制，新建地铁车站及其出入口通道在覆土较浅的情况下，需采用浅埋暗挖法施工，该工法施工风险以及对地表沉降的影响均较大。

针对浅埋暗挖通道施工引起的地表沉降，国内外学者已进行较多的研究[1]，其中较常用的预测方法为经验公式法[2]和数值分析法[3]。Peck[4]提出地面沉降槽呈拟正态分布，后来国内外不少学者对该经验公式进行了改进；吴锋波等[5]根据大量的盾构法和矿山法隧道在不同土层中横向沉降槽资料，对Peck公式的拟合参数进行统计分析，得出地层损失率和宽度参数的分布形态、相关统计值以及与隧道相对埋深的相关性；陶永虎等[6]通过建立地铁区间隧道下穿火车站的FLAC3D分析模型，研究了下穿区段路基沉降变化规律及暗挖区间隧道衬砌结构内力、安全系数等；周智等[7]依托某超浅埋暗挖矩形大断面地下通道工程，应用现场实测与数值模拟相结合的方法，深入研究了地下通道施工过程中地表横、纵断面沉降发展规律。

针对暗挖施工中不同施工工法对地表沉降的影响，国内外学者也已进行了较多的研究[8-9]。张恒等[10]通过运用FLAC3D有限差分软件，对浅埋暗挖特大断面地铁车站施工工法进行了数值分析。刘佳杰等[11]针对非对称地下管廊暗挖穿越粉细砂地层的特殊情况，建立不同施工工法的三维有限元数值模型，从地表沉降、拱顶沉降、水平收敛等3个变形参数对不同施工工法进行了对比研究。

本文以深圳地铁10号线岗厦站出入口暗挖通道为背景，结合深圳地铁暗挖施工经验[12]，通过建立模拟通道实际施工工法的三维有限元模型，对地表沉降的数值模拟计算结果、经验计算公式结果与现场实际监测数据进行对比分析，以此来验证数值模拟计算和经验公式计算的合理有效性；分析对比上下台阶法、中隔壁法（CD法）和交叉中隔壁法（CRD法）3种工法在考虑全断面注浆加固的情况下暗挖施工引起的地表沉降，以及每种工法分别在全断面注浆加固与不加固的情况下引起的地表沉降，以此来验证本通道选择全断面注浆加固和CRD法的合理性。

2 工程概况

深圳地铁10号线岗厦站位于福华路与彩田路交叉口南侧，车站位于彩田路下，沿彩田路南北向布置，与既有1号线岗厦站形成T字型通道换乘。全站共设置4 个出入口和2个风亭组，其中C号出入口位于福华路与彩田路交叉口西南侧沿东西向布置，并与既有1号线岗厦站C号出入口连通合建。

新建10号线岗厦站C号出入口由于其上方管线众多，且均为大直径重力流管线，现场无改迁路由，故该出入口东侧与管线交叉部分拟采用暗挖法施工，长度约为20 m，西侧与既有1号线岗厦站C号出入口连通部分采用明挖法施工，长度约为17 m。

由于本出入口顶板覆土较浅，且均为填土，暗挖段采用全断面注浆加固，加固范围为初支外扩3 m，注浆加固沿出入口暗挖掘进方向每8 m为1循环，且形成2 m的止浆盘。超前支护采用φ108 mm、壁厚8 mm的无缝钢管大管棚+φ42 mm、壁厚3.5 mm超前小导管。初支采用φ25 mm@500 mm格栅钢架+300 mm厚C25喷射早强混凝土，锁脚锚管采用φ42 mm、壁厚3.5 mm无缝钢管，二衬采用600 mm厚C35、P8模筑混凝土。

3 暗挖通道施工有限元模型及验证

3.1 有限元模型及参数选取

考虑本地铁出入口通道采用全断面注浆加固条件下的CRD法进行施工以及开挖对土体的扰动及其影响范围，本文三维有限元数值模型尺寸取为60 m（x）×20 m（y）×30 m（z），地表为自由面，底部固定，四周侧面限制其法向位移，有限元模型见图1。土体本构模型选用摩尔-库伦模型，土体物理力学参数见表1。初支及二衬采用线弹性模型，混凝土强度等级分别为C25、C35，弹性模量取2.8×104MPa、3.15×104MPa，泊松比取0.2。为考虑出入口通道周围全断面注浆等作用的影响，在通道周围设置等效层进行模拟，根据现场试验，等效层重度取22.5 kN/m3，弹性模量取1.0×104MPa，泊松比为0.2。

图1 出入口通道暗挖施工三维有限元数值模型

表1 土体物理力学参数

通道全断面注浆加固通过有限元软件中的相应土体加固单元在加固阶段中边界条件的修改（即参数的修改）予以实现，暗挖施工过程模拟可以将通道暗挖向前掘进作为一个跳跃式非连续过程来研究，在本文有限元数值模拟中采用钝化相应的土体单元以及激活相应的衬砌、中间支撑单元的方法予以实现，通道暗挖开挖步长取钢格栅榀间距0.5 m。

3.2 模型验证

为验证有限元模型对出入口通道浅埋暗挖施工过程中地表沉降模拟分析的有效性，本文对Peck公式计算地表沉降、现场实测地表沉降与有限元模拟地表沉降结果进行对比分析，验证有限元模型的有效性。Peck地表沉降计算公式为：

式（1）～式（3）中，S（x）为距暗挖通道中心轴线x处的地表沉降；Smax为暗挖通道轴线上方地表最大沉降量；i为地表沉降槽宽度，即沉降曲线曲率反弯点与中心的距离；Vl为暗挖通道单位长度的地层损失量；为土体内摩擦角加权平均值；Z0为暗挖通道中心埋深。

图2给出了地表沉降Peck公式计算结果、现场实测结果与有限元模拟地表沉降结果的对比分析曲线，由图2可知，有限元数值模拟结果与Peck公式、现场实测地表沉降数据较好吻合；地表沉降最大值均发生在通道中心轴线上方，其中Peck公式计算地表沉降最大值为17.69 mm，有限元模拟计算地表沉降最大值为19.02 mm，现场实测地表沉降最大值为20.66 mm。对比分析表明，有限元模型能合理有效地模拟出入口通道暗挖施工引起的地表沉降。

图2 有限元模拟地表沉降对比分析曲线

4 不同工法施工引起的地表沉降分析

实际施工中地表沉降的影响因素较多，如通道埋深、土层性质、施工工法等。由于本出入口通道为浅埋暗挖施工，本文基于经前文验证的有限元模型，模拟不同工法在全断面注浆加固条件下施工对地表沉降的影响，并与现场实际监测地表沉降数据对比，其计算结果如图3所示。考虑全断面注浆加固对地表沉降的影响，数值模拟计算中对每种工法在全断面注浆加固与不加固条件下的地表沉降进行对比分析，其计算结果如图4～图6所示。

图4 上下台阶法全断面注浆加固与不加固地表沉降对比曲线

图6 CRD法全断面注浆加固与不加固地表沉降对比曲线

（1）图3给出了模拟3种不同工法施工引起的地表沉降及现场实际监测沉降数据的对比曲线。由图3可知，有限元数值模拟计算中，上下台阶法地表沉降最大值为30.69 mm，CD法地表沉降最大值为22.86 mm，CRD法地表沉降最大值为19.02 mm，现场实测地表沉降最大值为20.66 mm。以上数据表明，CRD法施工引起的地表沉降小于上下台阶法及CD法施工引起的地表沉降，且与现场实测地表沉降数据吻合较好。因此，本出入口通道在覆土较浅且采用暗挖施工的条件下，应首选CRD法施工。

图3 3种不同工法施工引起的地表沉降对比曲线

图5 CD法全断面注浆加固与不加固地表沉降对比曲线

（2）图4～图6分别给出了上下台阶法、CD法及CRD法3种工法在全断面注浆加固与不加固条件下地表沉降对比曲线。由图4～图6可知，三维有限元数值模拟计算中，上下台阶法在未采用全断面注浆加固的条件下地表沉降最大值为46.04 mm，采用全断面注浆加固的条件下地表沉降最大值为30.69 mm；CD法在未采用全断面注浆加固的条件下地表沉降最大值为32.01 mm，采用全断面注浆加固的条件下地表沉降最大值为22.86 mm；CRD法在未采用全断面注浆加固的条件下地表沉降最大值为23.78 mm，采用全断面注浆加固的条件下地表沉降最大值为19.02 mm。以上数据表明，3种不同的施工工法中全断面注浆加固对地表沉降均有较大的影响，其中上下台阶法影响最大，CD法次之，CRD法影响最小。因此，本出入口通道采用CRD法浅埋暗挖施工时，为更好地控制地表沉降，应预先采用全断面注浆对通道周边土体进行加固。