重庆地铁隧道开挖引起的位移数值模拟研究

张晨翔

（重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074）

重庆地铁隧道开挖引起的位移数值模拟研究

张晨翔

（重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074）

以重庆地铁隧道实际工程为例，利用数字模拟有限元软件Midas-gts对隧道开挖引起的地表沉降、拱顶沉降、净空收敛进行数值模拟和研究，将模拟数值与实测的数据进行对比。找出位移的变化规律，同时对比两者的差值。从而对施工安全提出相应的建议和措施，确保隧道施工的安全同时不影响周围的环境。

重庆地铁；数值模拟；隧道开挖 位移变化

1 引言

随着中国城市化水平和经济水平的大幅度提高，城市拥堵问题也随之显现出来。城市土地资源的有效利用尤为重要，合理开发地下资源是21世纪一个非常重要的课题。但是大量的地下工程的建设，造成了地下施工环境的复杂化和安全问题的严峻化。城市地铁的开挖形成地层损失和地层位移将会引起地表沉降和变形。过大的地表沉降与变形将会使产生裂缝或塌陷，从而会影响建筑物和路面的正常使用造成重大的损失。为了减少由于地铁施工引起的沉降影响，研究地表沉降规律已经成为工程领域十分热门的课题。

2 工程概况

（1）工程地质概况

重庆地铁太平冲站到唐栋桥车站区间隧道横穿海尔路。该段为单洞双线隧道，洞跨12.0m，采用钻爆法施工，隧道埋深4～10m，隧顶中等风化基岩厚3.4～8.8m；隧道围岩主要为砂岩及砂质泥岩。该段位于山体一侧，受卸荷作用较强烈，岩体完整性较差，地下水为基岩裂隙水，水量较小。围岩分级为V级。隧道围岩压力拱高6.12m，为浅埋隧道，成洞条件较差，隧顶中等风化基岩厚度小于2.5倍围岩压力拱高度，为浅埋隧道，成洞条件较差，进行超前支护。

（2）施工监测概况

根据监控量测要求，进行拱顶沉降、净空收敛、地表沉降、临近建筑物沉降的布点监测。拱顶沉降最大允许累计值20mm，净空收敛最大允许累计值20mm，地表沉降和建筑物沉降最大允许累计值为20mm。

3 计算参数及模型

（1）模型建立

本次模型采用Midas-gts进行建模并计算。根据工程实际情况建立模型。定义土体和围岩采用二维平面应变单元共分两层，分别为填筑土和V级围岩。隧道上方管棚加固区采用改变围岩参数的方法进行模拟。初支喷射混凝土和钢拱架采用一维梁单元进行模拟，锚杆采用植入式桁架进行模拟避免节点不耦合的情况。二衬采用平面单元模拟。

(2)边界条件、荷载、施工过程

建模时考虑边界效应影响，模型两侧边界和底部边界取3倍隧道直径。上部边界取实际地表面进行模拟。模型两侧采用水平固定支座，底部采用竖向固定支座，上表面为自由面。模型中荷载采用自重荷载,采用上下台阶法施工阶段分为:a.初始应力场分析b.管棚支护c.上台阶开挖d.上台阶支护e.下台阶开挖 f.下台阶支护g.二衬支护

图1 隧道网格划分示意图

（3)本构模型

本模型采用摩尔库伦本构模型，利用摩尔库伦准则判断是否发生破坏。摩尔－库伦准则的内容是:当土体的平面上受到的剪应力等于土体的抗剪强度时， 土体其中，c 为粘聚力为φ内摩擦角

(4) 计算参数

采用Midas-gts有限元软件建立模型进行分析，模型的物理力学参数见下表1发生破坏; 其中任意平面上的抗剪强度为

表1 物理力学参数

4 计算结果分析

(1)地表沉降模拟与实际对比

由于隧道的施工开挖，使隧道上方的土体发生扰动。土体原来的平衡状态破坏，发生了应力重分布的现象，使土体发生了位移。由隧道开挖完成二衬施工完成竖向位移Dy可以看出隧道地表沉降呈现正太分布的趋势，隧道正上方的位移最大，达到了 6.76mm。随着距离拱顶正上方距离的增加位移不断地减少,在左右各15米处达到稳定，沉降为1.43mm。实测隧道正上方的地表沉降位移为7.95mm，左右15m处的沉降位移为1.76mm。由实测沉降量与模拟沉降量对比可以看出在隧道正上方右侧12米处两者相差最大为1.8mm。说明模拟沉降量与实际沉降量基本接近。本次模拟可以反映隧道开挖引起的地表沉降。

图2 隧道开挖引起的地表沉降

(2)隧道拱顶沉降与净空收敛

隧道拱顶与拱腰两侧发生最大位移变形，拱顶沉降为 9.54mm净空收敛为13.70mm。在施工各阶段中监测拱顶沉降最大值为11.27mm净空收敛为12.66mm。与模拟沉降值对比，拱顶沉降在支护下台阶阶段相差最大为 2.4mm，净空收敛在开挖下台阶阶段相差最大为 2.9mm。说明模拟与实测数据相差不大，本次模拟可以反映隧道内施工个阶段的位移情况。

隧道的位移变化主要由四部分组成。第一部分是微小变形阶段，是由于管棚加固后土体超前扰动引起的变形。第二部分是加速变形阶段，这是土体的弹塑性变形。由于工作面的坍塌使隧道处于悬空状态围岩向隧道内部挤压引起变形，这也是所有变形部分中最主要的部分。第三部分是减速变形阶段，由于锚杆与喷射混凝土的使用，使围岩发生收缩变形。第四部分是二衬的生成使隧道进一步的加固，让隧道的位移趋于稳定。

图3 隧道拱顶沉降与净空收敛

(3)沉降的控制措施

有很多因素可以影响开挖引起的位移问题，如隧道的洞径、埋深、开挖方式、地质条件、有无支护等。这些因素都会影响地表沉降与隧道位移。隧道的洞径越大开挖引起的地层损失越多，那么产生的位移也会越大。隧道埋深越深时隧道上方土体会形成压力拱反而会减小沉降量，然而隧道埋深很浅时隧道的开挖会对地表面的土体扰动很大，这样地面的沉降会更大，严重的会使地面塌陷。对于重庆地铁这样的工程一般采用浅埋暗挖法施工，当遇到大断面不良地质时尽量进行超前加固，用台阶法开挖时可选用弧形台阶法这种更加安全的方法。施工时为避免地表沉降和隧道位移过大要做到管超前、短进尺、弱爆破、强支护、早成环、勤量测的施工原则。对爆破严格控制药量和开挖进尺也要严格控制，减少爆破和开挖引起的围岩扰动和变形。二衬施工要及时的跟进确保施工的安全。

5 结论与建议

（1）利用有限元 midas-gts软件对隧道的开挖施工阶段进行模拟，可以比较真实的反映隧道开挖对地表沉降、隧道拱顶沉降、隧道净空收敛的影响。所以在实际工程中可以使用软件进行模拟开挖从而对施工安全提供预测和控制。

（2）因为这些年重庆地铁的大力发展，所以需要大量重庆本地已有施工项目的监测数据和报告。同时为以后重庆地铁类似的隧道工程提供更好的监控量测计划与经验。

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