黄土地区地铁隧道对地表沉降变形的影响分析

摘 要：为研究隧道开挖对地表沉降变形的影响，本文以某黄土地区地铁隧道工程为例，采用数值模拟系统分析了黄土地区隧道开挖对地表及隧道围岩变形的影响。结果表明：隧道开挖对围岩的影响主要分为缓慢增加、急剧增加和趋于平稳3个典型过程。隧道拱顶变形与地表沉降变化趋势基本相同，围岩两边的变形表现为先增后减最后稳定的趋势。针对距离地表比较近且断面尺寸大的浅埋暗挖隧，采用台阶法的施工工序复杂，容易对地表沉降变形影响较大，因此可以通过导管注浆及架立钢拱架等支护方法减少隧道施工对地表变形的影响。

关键词：地铁隧道；黄土地区；地表变形；数值模拟

中图分类号：U 45 " 文献标志码：A

随着我国经济的快速发展，全国各地的地铁隧道工程也取得了进步。但在实际施工中发现，开挖地铁隧道经常会导致地表沉降变形严重。因此，国内外很多学者对地铁隧道施工稳定性进行了相关分析。王树明等[1]基于模型试验系统研究了黄土地区的地铁隧道不同湿陷变形方式。结果表明，湿陷最终累计沉降量大于均匀湿陷最终累计沉降量。此外，不均匀湿陷对地铁结构物的危害更大，两种湿陷变形方式均对隧道中线附近沉降影响最大。贺希英等[2]基于数值模拟研究了黄土地区深基坑开挖工程对下卧变截面地铁隧道的影响。结果表明，地下水位的变化使土体应力改变，从而导致隧道变形。其中，开挖卸荷会引起坑底回弹。王军琪等[3]基于现场实测数据分析了黄土地区通道上跨既有地铁隧道衬砌的受力分析。结果表明，初期支护与二次衬砌间的接触压力先跨线整体比后跨线小，左右线各测点接触压力在上跨施工过程中均表现为增加。

本文根据黄土地区某地铁隧道工程，采用ABAQUS数值模拟及现场实测数据系统分析了黄土地区隧道开挖引起的地表沉降问题。研究可为类似隧道的施工提供参考。

1 工程概况及数值模拟

1.1 工程概况

本文以某城市地铁盾构隧道工程为例，对其沉降变形进行研究。该地铁隧道的施工方法主要采用短台阶+临时仰拱法。隧道支护采用ø42mm×3.5mm的注浆支护，为了保证隧道拱顶的稳定性，对拱顶土体进行预加固。此外，在钢拱架架立后及时喷射混凝土，提高隧道与围岩的整体性。隧道支护具体结构如图1所示。

隧道区间地面高程约为401～406m，沿线表现出典型的南高北低的趋势。拟建场地地层由上到下分别为人工填土、上更新风积新黄土层、中更新统老黄土层、冲积粉质黏土和中砂。其中，人工填呈灰色-灰褐色，密实度较差，碎石含量通常大于60%，填充黏土；黄土层呈黄色-红褐色，颗粒组成以0.075～0.005mm为主，粒径大于0.25mm的较少。不均匀系数为8.2；粉质黏土层呈浅灰色，湿，稍密，局部相变为黏土。本平均标贯击数N＝6.6击，物理力学性质一般。中砂层呈灰色-灰黑色，颗粒大部分分散，小部分胶结，粒径大于2mm的颗粒含量占总质量的25％～50％，稍湿～饱和，中密状态。根据勘察资料，研究区降雨量充沛，降水多数以地表径流方式汇入河沟，其余降水沿第四系基岩孔隙渗入地下，是地下水补给主要来源。

1.2 数值模型

采用ABAQUS数值有限元建立计算模型（图2）。隧道开挖方式为短台阶+临时仰拱法，支护方式采用复合式衬砌。隧道开挖后立即进行支护，循环开挖进尺为2m。数值模型取左右线各60m进行建模分析。模型左右边界长度为4倍洞径。模型总长度为75m。宽度为60m，高度为35m。最终得到的模型网格总数为36500，节点个数为41352个。数值模型的边界条件为约束左右两侧水平方向的位移，模型底部约束3个方向的自由度，顶部为自由面。隧道埋深为9.5m。本文计算采用的岩土体物理力学计算参数见表1。隧道衬砌支护采用混凝土，对应的材料弹性模量为38MPa，重度为28kN/m³，泊松比为0.22，厚度为0.3m。

2 计算结果与分析

2.1 地铁隧道横向地表变形

图3为不同断面地表横向变形的变化规律。结果表明，地表沉降变形随横向距离的增加呈现先变大后变小的趋势。当隧道右线开挖深度为50m时，相同横向距离下，随隧道开挖深度越大，地表横向变形越大。其中，地表横向变形的最大值出现在隧道中线偏右3m位置处。最终形成的地表沉降槽大约为隧道直径的2倍。

图4为采用不同模型的地表横向变形（隧道右线挖深50m）对比结果。结果表明，各种模型计算的地表横向变形的差异性较大。其中，各种模型计算的地表横向变形值均小于实测值。Peck模型、Sagaseta模型、数值模拟及实测数据得到的地表最大横向变形值分别为10.2mm、5.3mm、17.1mm和19.9mm（见表2）。总体来看，各模型得到的地表横向变形的最大值均小于规范规定的上限值（50mm）。证明隧道开挖对地表的沉降变形影响是可控的。

2.2 地铁隧道纵向地表沉变形

图5为当右线开挖至50m时，地表纵向变形的对比分析结果。结果表明，地表纵向沉降曲线大致呈“S”形。其中掌子面的地表沉降变形值最大。沉降最大值约为19mm。总体来看，地表纵向变形随着与洞口距离的增加而先变大再趋于平缓。随着掌子面的推进，围岩变形逐渐趋于稳定。距离掌子面的距离越远，传递到地表的沉降变形值越小。此外，对比各种计算模型的结果可知，Sagaseta与实测数据的偏差最大，而Peck公式和数值模拟结果与实测结果最接近[5-6]。

2.3 地铁隧道拱顶变形

图6为当右线掌子面开挖深度为50m，左线支护完毕时，左右线隧道拱顶沉降的变化规律。结果表明，拱顶沉降随着与洞口的距离增加而先变大后趋于平稳。开挖初始面沉降变形值最大，其中左线最大值约为20mm，右线约为22mm。可以发现右线隧道拱顶变形略大于左线隧道拱顶沉降。左隧道超前开挖对周围岩土体产生扰动，因此导致右线隧道土体产生沉降，当右隧道开挖时又会产生沉降，最终沉降变形结果是两次沉降叠加的效果。此外，数值模拟与实测值变化趋势基本相同，证明本文的数值模拟是合理的。数值模拟可以有效模拟台阶法施工的双线地铁隧道变形规律[4-6]。

2.4 地铁隧道帮部围岩变形

为了进一步分析隧道围岩的变形规律，本文对隧道左右两线4个监测点进行分析。4个监测点分别为左线30m左帮位置、左线30m右帮位置、右线30m左帮位置和右线30m右帮位置（图1）。

汇总得到隧道左帮变形和隧道右帮围岩变形。隧道左帮变形监测结果表明，当隧道右线开挖深度为60m时，左线30m左帮X1监测点的变形值迅速变大，最大值为3.3mm；右线30m左帮X3监测点最大变形值出现在右线开挖至20m深度时。由于左线开挖对右线会产生影响，因此当右线开挖深度为30m时，X1变形较大。总体来看，两测点的变形趋势相同且数值模拟结果与实测结果较吻合。

隧道右帮变形监测结果表明，当距洞口位置小于30m时，隧道右帮围岩会变形，变形较小。当距离大于30m时，围岩变形迅速变大。其中，当右线开挖深度为60m时，X4测点出现最大变形值，约为10.6mm；当右线开挖深度为30m时，X2测点的变形基本趋于稳定。当右线开挖深度为30m时，左线开挖已经基本完成。因此，左线30m右帮位置变形稳定。

3 结论

本文根据黄土地区某地铁隧道工程，采用ABAQUS数值模拟系统分析了黄土地区隧道开挖引起的地表沉降，结合现场实测数据，对其进行对比分析。得出以下结论。1）黄土地区隧道开挖对围岩的影响主要分为3个阶段，分别为缓慢增加、急剧增加和趋于平稳。其中开挖初期，围岩变形增长速率较低。地表变形的最大值位置通常为隧道中线偏右侧约3m处且地表沉降槽约为2倍的隧道外径。2）隧道导致的地表纵向沉降呈“S”形，最大值出现在掌子面处，随着纵向开挖深度的增加，沉降变形值逐渐趋于稳定。3） 隧道开挖对地表变形的影响因素较多，对黄土地区来说，土体的湿陷性影响较大。在实际工程中，应加强对围岩含水量进行监测。对浅埋暗挖隧道来说，由于隧道距离地表较近，因此对地表沉降变形影响较大。在工程中，可采取导管注浆或钢拱架支护措施控制地表的沉降变形。

参考文献

[1]王树明，梁庆国，王二磊.黄土地区地铁隧道不同湿陷变形方式模型试验系统的研制及应用研究[J].现代隧道技术，2020，57（2）：157-162.

[2]贺希英，高强，张晓光，等.黄土地区基坑开挖对下卧变截面地铁隧道影响数值分析[J].水利与建筑工程学报，2019，17（1）：221-226.

[3]王军琪，康佐，赵杰.黄土地区通道上跨既有地铁隧道衬砌受力分析[J].铁道工程学报，2015，32（11）：120-127.

[4]李庆园，孟昌，朱元伟，等.黄土地区地铁隧道盾构施工时既有房屋的变形规律分析[J].城市轨道交通研究，2013，16（12）：103-107.

[5]饶宇，夏元友，赵根，等.盾构引起地表沉降预测模型与影响因素分析[J].武汉理工大学学报，2015，37（2）：63-68.

[6]侯乐乐，翁效林，黄文鹏，等.湿陷性黄土地铁隧道基底注浆加固处治试验[J].长安大学学报（自然科学版），2022，42（2）：91-102.