涉水隧道开挖对土体沉降影响分析

冯文刚

(北京中水利德科技发展有限公司山东分公司，山东 临沂 276000)

0 引 言

隧道施工过程中由于岩土体的开挖，原有应力平衡状态遭到破坏，岩土体会达到新的应力平衡状态，这个过程中会引起隧道周围岩土体及建构筑物的变形，其中土体的沉降一直受到隧道设计和施工者的高度关注。邵俊杰等基于变形分级提出了一种隧道变形计算方法。江杰等分析了地面堆载对地铁隧道变形的影响。郭小龙等分析了高地应力陡倾层状软岩隧道变形破坏机理[1-3]。陈秀义分析了高地应力状态下硬质碎裂岩隧道变形机理。肖宗荣分析了软弱围岩隧道变形。肖宗荣提出了软弱围岩隧道变形控制方法[4-6]。濮居一等研究了软弱地层中基坑土体加固对隧道变形影响。范雪辉等研究了软弱地层中内撑式基坑开挖对隧道变形的影响。徐国元等分析了基坑开挖对隧道的影响[7-9]。朱国权等探索了基坑开挖顺序对隧道的影响。郭磊等分析了地面堆载对隧道的影响。刘士海等研究了新建隧道斜交下穿既有盾构隧道的变形[10-12]。李钊等分析了隧道台阶法施工上台阶长度对隧道变形的影响。郭海峰等分析了建筑施工荷载引起邻近地铁隧道变形机理。姚宏波等分析了考虑空间效应的软土隧道上方卸荷变形[13-15]。文章通过建立有限元模型，分析涉水隧道开挖对土体沉降的影响，为隧道工程设计和施工提供借鉴和参考。

1 工程概况

某隧道开挖半径2.5m，埋深15m，衬砌厚度0.35m，地层自上至下分布为：黏土，厚度5.0m，余下均为粉土。岩土工程勘察资料显示，本场地地下水稳定水位埋深为4.5-5.6m，地下水平均埋深5.0m。室内水质分析结果表明，场地地下水不具有腐蚀性。

2 数值模拟

为提高分析结果的精度，文章采用15节点高精度三角形单元的离散模型。为消除边界影响，通过试算，建模时，模型宽度取为40m，高度为30m，衬砌厚度为0.35m，地下水位取5.0m。有限元模型如图1所示。模型参数详见表1和表2。

图1 有限元模型示意图

3 数值模拟分析

3.1 监测点布设

隧道开挖过程中不仅会引起地面的沉降，同时还会引起隧道周围土体的变形，为全面地反映隧道开挖过程中土体的沉降变化规律，鉴于模型的几何对称性，文章于地面上以A点(隧道顶部在地面上的对应点)为中心，间隔1m设置地面沉降监测点A、B、C；以D点(隧道顶部对应点)为中心，间隔1m设置隧道顶部沉降监测点D、E、F；以G点(隧道底部对应点)为中心，间隔1m设置隧道底部沉降监测点G、H、I。监测点布置相对位置详见图2。

表1 土层参数

表2 初衬材料参数

图2 监测点相对位置关系图

3.2 模拟结果分析

3.2.1 地面沉降模拟

地面监测点沉降，见图3。

由图3可知，地面沉降监测点A、B、C在隧道与周围土体作用前后均呈现出沉降的规律，作用前三个监测点最大沉降均约为1.6mm，作用后均约为0.3mm，三个监测点的变化趋势及变化量趋于一致，这与地面沉降量相对较小有关，同时还表明隧道支护作用后，有利于大幅度改善地面沉降，从而减少地面建构筑物的开裂和沉降。

图3 地面监测点沉降

3.2.2 隧道顶部沉降模拟

隧道顶部监测点沉降，见图4。

图4 隧道顶部监测点沉降

由图4可知，隧道顶部监测点D、E、F在隧道与周围土体作用前后均呈现出沉降的规律，且三个监测点的沉降变化趋势和变化量不一致，且距离隧道顶部越近，沉降变化越快、沉降量越大，表明沉降趋势及沉降量与距离隧道顶部远近有关。隧道支护作用后，D点沉降量由3.6mm减小为0.9mm、E点沉降量由2.8mm减小为0.5mm、F点沉降量由1.8mm减小为0.2mm，表明隧道支护作用后，有利于大幅度改善隧道顶部区域沉降。

3.2.3 隧道底部沉降模拟

隧道底部监测点沉降，见图5。

图5 隧道底部监测点沉降

由图5可知，隧道底部监测点G、H、I在隧道与周围土体作用前后均呈现出隆起的规律，且三个监测点的隆起变化趋势和变化量不一致，且距离隧道顶部越近，隆起变化越快、隆起量越大，表明隆起趋势及隆起量与距离隧道底部远近有关。隧道支护作用后，G点隆起量由7.0mm减小为0.1mm、H点隆起量由5.0mm减小为0.05mm、I点隆起量由1.8mm减小为-0.1mm，呈现出沉降的趋势，表明隧道支护作用后，有利于大幅度改善隧道底部区域隆起。

3.2.4 总体沉降模拟

隧道与周围土体作用前(土体开挖未支护)总体沉降，见图6；隧道与周围土体作用后总体沉降，见图7。

由图6和图7可知，隧道与周围土体作用前后，隧道竖直面上均表现出隧道顶部至地面呈现沉降趋势，且随着深度增加，沉降量不断增大，隧道顶部沉降量最大(分别为-10mm、-1mm)，隧道底部向下呈现土体隆起的趋势，且距离隧道底部越远隆起量越小，隧道底部最大隆起量分别为6mm、0.8mm，即竖直面上靠近隧道的土体受隧道开挖影响较大。隧道与周围土体作用前，以隧道顶部至地面对应点为中心，地面变形均呈现沉降趋势，且越靠近中心点沉降量越大。隧道与周围土体作用后，土体的沉降及隆起影响范围及数值皆大幅减小，地面沉降亦呈现越靠近中心点沉降量越大的趋势，且远离中心点处还呈现出微微隆起的趋势，这与上述各部位监测点的变化趋势一致。

图6 隧道与周围土体作用前(土体开挖未支护)总体沉降

图7 隧道与周围土体作用后总体沉降

4 结 论

1)地面沉降监测点A、B、C在隧道与周围土体作用前后均呈现出沉降的规律，作用前三个监测点最大沉降均约为1.6mm，作用后均约为0.3mm，三个监测点的变化趋势及变化量趋于一致，这与地面沉降量相对较小有关。

2)隧道顶部监测点D、E、F在隧道与周围土体作用前后均呈现出沉降的规律，且三个监测点的沉降变化趋势和变化量不一致，且距离隧道顶部越近，沉降变化越快、沉降量越大，表明沉降趋势及沉降量与距离隧道顶部远近有关。

3)隧道底部监测点G、H、I在隧道与周围土体作用前后均呈现出隆起的规律，且三个监测点的隆起变化趋势和变化量不一致，且距离隧道底部越近，隆起变化越快、隆起量越大，表明隆起趋势及隆起量与距离隧道底部远近有关。

4)隧道与周围土体作用前后，隧道竖直面上均表现出隧道顶部至地面呈现沉降趋势，且随着深度增加，沉降量不断增大，隧道顶部沉降量最大，隧道底部向下呈现土体隆起的趋势，且距离隧道底部越远隆起量越小，即竖直面上靠近隧道的土体受隧道开挖影响较大。

5)隧道与周围土体作用前，以隧道顶部至地面对应点为中心，地面变形均呈现沉降趋势，且越靠近中心点沉降量越大。隧道与周围土体作用后，土体的沉降及隆起影响范围及数值皆大幅减小，地面沉降亦呈现越靠近中心点沉降量越大的趋势，且远离中心点处还呈现出微微隆起的趋势。