淤泥地层中地铁隧道结构的变形特性研究

尚玉厚，伊雪龙（河南益科岩士工程有限公司，河南信阳464000）

淤泥地层中地铁隧道结构的变形特性研究

尚玉厚，伊雪龙
（河南益科岩士工程有限公司，河南信阳464000）

广州市正在运营的地铁2号线、5号线、6号线、8号线等广泛存在着淤泥土层这种不良地质。基于此，论文以广州市地铁8号线北延段小坪站及附近区间为研究背景，结合场地的地质勘查资料，有针对性地对淤泥地层中地铁隧道结构的变形特性进行研究，分析淤泥作用下隧道结构衬砌管片的变形、附加应力和弯矩的变化情况，并在此基础上采用大型通用三维有限元分析软件Midas-GTS为研究手段进行全方位的分析，提出了有关淤泥土的处理措施，并得出一些初步结论。

淤泥质土；衬砌管片；有限元分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.131

1 工程概况

1.1 工程介绍

广州地铁8号线北延段项目（文化公园站—白云湖站），线路长约16.3km，均为地下线路。共设13座区间，广州地铁8号线北延段承担了8号线“L”形走向北段线路功能。线路经过广州市荔湾区、越秀区和白云区，主要连接荔湾区的西村和彩虹桥生活区，白云区的白云湖和同德围，串接荔湾、白云两大组团。北延线从北部的白云湖站，经亭岗站、石井站、小坪站、平沙站、聚龙站、上步站、同德围站、鹅掌坦站、西村站、彩虹桥站、陈家祠站、华林寺站到文化公园站继接现有8号线。其中，换乘站4座，分别为陈家祠站（与1号线换乘）、彩虹桥站（与11、13号线换乘）、西村站（与5号线换乘）、聚龙站（与12号线换乘）；平均站间距1.24km，最大站间距2.00km（小坪站至石井站区间），最小站间距0.76km（华林寺站至陈家祠站区间）。在亭岗站西侧新建车辆段1座（原8号线赤沙车辆段调整为规划11号线使用）。在彩虹桥站附近新建主变电站1处。地下线路采用盾构法施工，局部区段采用明挖法或矿山法，车站则采用明挖法施工。

1.2 工程地质条件

广州市地铁8号线北延段沿线属于珠江三角洲冲洪积平原地貌。其穿越的地层有新生界第四系地层、古生界二叠系、石炭系地层沿线的地层。第四系包括全新统（Q4）和全新统、上更新统（Q3+4），其下缺失中更新统和下更新统，由全新统人工填土（Q4ml），全新统、上更新统（Q3+4al+pl）冲积-洪积砂层、土层以及第四系的残积土层（Qel）组成；二叠系下统栖霞组（P1q）为中厚层状-薄层状炭质灰岩夹炭质泥岩、炭质页岩及燧石条带状岩性；石炭系中上统壶天群（C2+3ht）为石炭系中分布最广的地层，岩溶发育。岩性：浅灰白色至肉红色，厚层状，微晶质灰岩、白云质灰岩、角砾状灰岩，偶见有燧石条带。

广州地铁8号线北延段小坪站附近软土层为河湖相淤泥（4-2A）和淤泥质土（4-2月）和灰岩软-流塑状残积土，软土力学性质很不稳定，极易被扰动。软土属高压缩性土，当地下水位下降或外部荷载发生变化时，淤泥土发生排水固结现象。根据广州市地铁8号线北延段各车站及区间详细勘察阶段岩土工程勘察报告，小坪站附近的淤泥层较厚，最厚处达到11.5m，隧道结构全部处于淤泥土中，且隧道结构下部还存在一定厚度的淤泥层，最厚为3m。淤泥土的排水固结作用使隧道结构产生变形，其中，不均匀沉降对地铁隧道结构的安全性和耐久性影响重大。本文以隧道结构下部存在3m厚的淤泥层这种最不利情况为例，研究淤泥在排水固结作用下对于隧道结构变形的影响。

2 三维有限元数值模拟分析

本工程采用三维有限元软件Midas-GTS建立模型。淤泥土的排水固结会对隧道结构的变形和附加应力产生影响，本节分别研究地下水位在地下10m处、隧道底部、基岩顶部、基岩下4m处时淤泥土排水固结对地铁隧道结构的变形和附加应力的影响情况。地铁隧道结构衬砌管片的最大水平位移为T1；最大竖向位移为T3；X方向的最大轴力为FX；Y方向的最大轴力FY；X方向的最大弯矩为MX；Y方向的最大弯矩为MY。当地下水位下降时，由于淤泥土层的排水固结，地铁隧道衬砌管片的水平位移T1随着地下水位的下降而变大，当地下水位位于基岩下4m处时，水平位移T1最大，为-0.019mm，可见淤泥土固结对隧道结构衬砌管片水平位移T1的影响很小；地铁隧道衬砌管片的沉降位移T3随着地下水位的下降而变大，其沉降位移T3在地下水位从隧道底部下降到基岩顶部时急剧增大，从-1.62mm增加至-5.57mm，这说明隧道下卧层淤泥土的排水固结对地铁隧道衬砌结构的沉降位移影响较大，使衬砌结构整体向下沉降，在基岩下4m时，沉降位移值最大，为-5.76mm；地铁隧道衬砌管片的轴力FX的绝对值随着地下水位的下降而变大，当FX在地下水位从隧道底部下降到基岩顶部时，从-391.74kN/m增加至-451.32kN/m，在基岩下4m时，FX的绝对值最大，为456.28kN/m；地铁隧道衬砌管片的轴力FY的绝对值随着地下水位的下降而变大，当地下水位从隧道底部下降到基岩顶部时急剧增大，FY从-390.14kN/m增加至-450.98kN/m，在基岩下4m时，FY绝对值最大，为455.15kN/m；地铁隧道衬砌管片的弯矩MX随着地下水位的下降而变大，当地下水位从隧道底部下降到基岩顶部时急剧增大，MX从46.35kN·m增加至49.86kN·m，在基岩下4m时，MX最大，为50.13kN·m；地铁隧道衬砌管片的弯矩MY随着地下水位的下降而变大，当地下水位从隧道底部下降到基岩顶部时急剧增大，MY从48.42kN·m增加至52.88kN·m，在基岩下4m时，MY最大，为53.12kN·m[1]。

3 结论

本文运用三维有限元分析软件Midas-GTS的固结模块，通过地下水位的变化，分析淤泥固结变形对地铁隧道结构的影响。分析了地下水位在地下10m处、隧道底部、基岩顶部、基岩下4m时淤泥土排水固结对地铁隧道结构的变形和附加应力的影响情况。得出当地下水位下降时，地铁隧道结构衬砌管片的水平位移T1，竖向位移T3，X，Y方向轴力FX、FY绝对值，X、Y方向弯矩MX、MY绝对值增大，并当地下水从隧道底部降至基岩顶部时，其变化幅度较大。

【1】陈浩.关于地铁施工问题的思考[J].现代工业经济和信息化，2016 (17):71-72.

Study on Deformation Characteristics of Subway Tunnel Structure in Silt Stratum

SHANG Yu-hou，YI Xue-long
(Henan Yike Geotechnical Engineering Co.Ltd.,Xinyang 464000,China)

Under operating in guangzhou metro line 2, line 5, line 6 and line 8, existing a bad geological condition with wide range of silt soillayer. Based on this, this paper takes the north extension section of Guangzhou metro line No. 8 and its near area as the research background,combining with geological exploration data in this field, researches on the silt stratum deformation characteristics of the metro tunnel structure ,analyses the deformation、additional stress and bending moment of tunnel lining segment under silt.Then comprehensive analyses taking thelarge general 3d finite element analysis soft ware Midas-GTS as the studying means, proposing the silt soil treatment measures, and carryout somepreliminary conclusions.

silt soil;lining segment;finite element analysis

U456

A

1007-9467（2016）12-0074-02

2016-10-31

尚玉厚（1963～），男，河南信阳人，工程师，从事岩土工程结构研究。