隧道开挖对临近土体变形影响预测研究

徐新星

(东莞职业技术学院 建筑学院，广东东莞 523808)

地铁隧道开挖施工，会对原有土层造成一定程度的扰动，这是导致地面变形的重要原因，会引起一定范围内土体移动和地表沉陷[1]。它将影响到邻近建筑物及地下管线的安全，影响周围的环境。地铁施工采用较多的盾构法区间隧道、暗挖法隧道日益增多，往往需要穿越建筑物密集、地下管网丰富、地质情况复杂的城市中心地带，故能满足相当精度的隧道施工引起的土体变形预测方法愈加受到关注。

隧道开挖施工对邻近土体变形的影响已引起行业专家的重视并开展了相关的研究：何清[2]开发了二维挡土结构土压力与活动门模拟试验装置；黄鑫等[3]对加固综合管廊断面宽度范围内的土体进行仿真模拟；雷华阳等[4]基于透明黏土盾构隧道开挖面失稳模型试验，探究了开挖面失稳扩展过程和失稳特征；贺恒炜[5]以通过理论分析、现场实测等手段对地下铁道开挖作用于既有临近建筑沉降影响进行分析；范德伟等[6]基于Winkler弹性地基梁理论,分析了地下管线在地铁开挖作用下的受力情况；邓祥辉[7]等研究了地铁隧道爆破施工对邻近居民楼带来的影响；岳长城[8]利用有限元软件数值模拟，对地铁车站暗挖厅施工土体变形进行了研究。

根据实际工程案列，建立有限元模型，综合考虑土体位移及隧道受力变形的耦合分析成为研究隧道施工对邻近土体变形影响的有效方法[9-10]。本文基于ANSYS 软件建立相关模型进行了数值分析，分析了隧道两种断面开挖引起不同方向的土体变形，将为类似工程施工提供参考。

1 隧道开挖对临近土体变形影响的数值分析

1.1 工程背景

广州市轨道交通地铁某区间段采用浅埋暗挖法施工，设置施工竖井，施工横通道与使用期间联络通道结合设置。根据断面的特点及断面周围的围岩情况，确定实际中断面的开挖方法。其中，标准断面跨度较小、围岩较差，考虑到既要实现分台阶开挖，又要实现支护及早封闭，所以可选择短台阶法进行施工，这种方法将台阶长度定为10～15 m，即1～2倍开挖宽度；大跨断面，由于其跨度较大，所以无法采用全断面法或台阶法开挖，可采用施工安全，且控制地表沉降较好的双侧壁导坑法进行断面开挖，这种方法相当于先开挖2个小跨度隧道，并可及时施作导坑周围初期支护。本文主要研究以上两种类型断面：一种是区间隧道标准断面；一种是区间隧道大跨断面。

1.2 区间标准断面地层参数

根据广州地铁隧道某区间连接段工程勘察资料，地质情况自上至下大致分布如表1所示。

表1 标准断面地层分布及参数表

1.3 区间大跨断面地层参数

根据广州地铁隧道某区间连接段工程勘察资料，自上至下大致分布如表2所示。

表2 大跨断面地层分布及参数表

1.4 内力计算结果分析

本文选用Mohr-Coulomb来模拟土体，利用ANSYS软件建立相关模型进行了数值分析，计算采用荷载—结构模型，应用有限元软件进行模拟，单元类型为二维梁单元，梁单元宽度为单位宽度，梁高按二次衬砌实际厚度考虑。计算参数具体见表3。

表3 计算参数

1.4.1 标准断面内力计算结果

标准断面施工阶段的计算模型及单元划分、计算弯矩图和轴力图分别如图1、图2、图3所示。

图2 弯距图(N·m)

图3 轴力图(N)

由数值计算结果可知，最大弯矩出现在标准断面的左右侧下部，约为69 KN·m，最大轴力也是出现在该位置，约为875 KN；这个位置在实际工程中也是容易出现破坏的薄弱点，说明了模型建立的合理性。

1.4.2 大跨断面内力计算结果

大跨面施工阶段的计算模型及单元划分、计算弯矩图和轴力图分别如如图4、图5、图6所示。

图4 计算模型

图5 弯距图(N·m)

图6 轴力图(N)

与标准断面类似，由数值计算结果可知，最大弯矩出现在大跨断面的左右侧下部，约为330 KN·m，最大轴力也是出现在该位置，约为1 500 KN；这个数值比标准断面大很多，这是因为断面尺寸带来的差异。

1.5 位移计算结果分析

在进行位移分析时分别对标准断面与大跨断面进行计算，计算值与实测值进行了比较，结果表明建立的模型是合理的，且无论是大跨断面还是标准断面的位移都是极小的，不会对现场施工产生影响。在此过程中采用了两种方法进行计算，其一是将马蹄形断面设为直墙拱形断面进行计算：这也是数值计算中经常采用的方法；其二仍是按马蹄形断面进行计算。两种方法计算结果的差别可忽略不计，文中在上述两种方法中分别只取一种类型的断面进行叙述，方法一采用的是标准断面，方法二采用的是大跨断面。

1.5.1 区间标准断面位移计算

在此计算中采用地层-荷载方法，将地层由地表至隧道底部依次建入模型中，取一半断面进行分析，分别给出x方向与y方向的计算云图。计算模型图见图7，x方向的位移云图见图8，y方向的位移云图见图9。

图7 标准断面位移计算模型图

图8 标准断面x方向位移计算图

图9 标准断面y方向位移计算图

由计算分析可知，标准断面在开挖后x方向的最大位移为2.2 mm，y方向的最大位移为1.5 mm，两者均不会对实际施工产生影响，并且在施加混凝土衬砌后，位移值还将进一步减小，由此可知，在前述外力条件下，标准断面的位移值对实际施工是安全的。

如图10所示为实测值与计算值的对比图。从图可知，由于地表实际沉降值本身很小，实测值与计算值总体分布规律相近，数值也相差不大，总体吻合的较好，但是由于数值模拟过程中一些假设存在计算值总体上比实测值大。另外，隧道开挖对临近土体变形影响主要体现在临近隧道一定范围内，在x、y方向均有影响，这是由于断面开挖开挖，使得临近土体应力发生释放及重分布，引起一定范围的土体产生附加应力及位移。

图10 计算值与实测值对比图

1.5.2 区间大跨断面位移计算

与标准断面同理，计算仍采用地层-荷载方法，将地层由地表至隧道底部依次建入模型中，取一半断面进行分析，分别给出x方向与y方向的计算云图。计算模型图见图11，x方向的位移云图见图12，y方向的位移云图见图13。

图11 大跨断面位移计算模型图

图12 标准断面x方向位移计算

图13 大跨断面y方向位移计算图

由计算分析可知，标准断面在开挖后x方向的最大位移为4.4 mm，y方向的最大位移为8.1 mm，相比标准断面，大跨断面位移相对较大，这是由于大跨断面的跨度较大而造成的，但是该位移相比起大跨断面的跨度是很小的，因此，此位移值不会对实际施工产生影响，并且在施加混凝土衬砌后，位移值还将进一步减小，由此可知，在前述外力条件下，大跨断面的位移值对实际施工也是安全的

如图14所示为大跨度断面地表沉降实测值与计算值的对比图。图中地表沉降实测值与计算值总体的趋势是一样的，数值也相近，在离隧道3.4 m处，也就是第一个地表监测点处相差稍大，相差约为8.3%，在容许(±10%)误差之内，故该模型的建立比较合理。

图14 计算值与实测值对比图

2 结语

1)本文结合城市地铁隧道在施工中需考虑的结构应力和地质情况，利用ANSYS软件建立相关模型进行了数值分析，对变形进行预测，将计算值和实测值进行对比，结果显示计算值和实测值分布规律非常接近，由于本构模型的建立过程中一些假设存在，使得计算值总体上比实测值大。

2)标准断面和大跨段面在施工过程中，位移变形都是在容许的范围内，位移值不会对实际施工产生影响，并且在施加混凝土衬砌后，位移值还将进一步减小，两种施工方法的选择都是安全可靠的。

3)在某些隧道工程施工中，还需要考虑隧道开挖与邻近地下构筑物的相互作用。如暗挖隧道施工过程中或者工后沉降引起的土体变形对邻近原有建筑物基础和地下室的影响等，需要进一步研究。