地铁隧道施工对地表沉降变形的影响分析

摘 要：为研究地铁隧道施工对地表沉降的影响。本文依托某城市地铁工程，基于ABAQUS数值模拟研究了地铁隧道开挖对地表沉降变形的影响。系统分析了两个典型断面的地表横向和纵向沉降变形规律。结果表明：地表的横向沉降变形呈“W”形分布，实测和数值模拟得到断面1和断面2的最大沉降变形分别为14.6mm和14.2mm，证明本文的数值模拟是科学的；当与掌子面的距离大于20m时，地铁隧道开挖对地表的沉降变形影响越来越小，断面1盾构下穿的粉质黏土厚度比较大，综合来看，断面2的自稳性较好，断面2的沉降值小于断面1的沉降变形。

关键词：地铁隧道；稳定性；地表沉降；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取得了长足进步。但在实际施工中发现，地铁隧道经常会发生严重的地表沉降变形。张昭和李婷婷[1]基于流固耦合理论研究了郑州地铁隧道开挖对地表变形的影响。结果表明，在隧道开挖前，渗流场有效应力沿水平方向均匀分布，地表沉降随隧道埋深增加而变大，且地下水位越低对地表沉降的影响越小。卫建军[2]基于FLAC3D数值模拟系统研究了黄土地铁隧道施工围岩及地表变形规律。结果表明，采用台阶法施工产生的地表横向位移呈“V”形，且最大地表沉降出现在隧道中线偏右方约3m处。此外，沉降量随开挖掌子面距离的增加而变小。孙小菊等[3]基于FLAC3D数值模拟研究了浅埋暗挖法对地表建筑物的影响。结果表明，建筑物倾斜程度及不均匀沉降随着与隧道轴线距离缩短而变大。地表沉降主要受控于施工工艺水平、结构形式以及地质水文的差异性。

既有研究多考虑地铁隧道盾构掘进引起的地表沉降问题，其中，双向隧道对地表沉降的影响较复杂，相关研究不够深入。考虑目前研究存在不足，本文根据某地铁隧道工程，采用ABAQUS数值模拟系统分析了隧道开挖对地表沉降的影响。结合现场实测数据，对其进行对比分析。本文的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

研究隧道为某城市地铁盾构隧道。区间地面高程约为86～88.6m。隧道左线长度位移为899.2m，右线长度位移为1780.1m。研究区主要出露第四系地层。根据钻孔资料揭示，地层厚度约为50～200m，且厚度自东向西逐渐变薄。沿线路地形起伏度较小，地面标高为0～15m，相对高差小于1m。研究区场地30m深度范围内主要为第四系全新统地层。地层由上到下分别为填土、粉土、中粗砂、粉质黏土和粉土。

该地铁隧道施工方法主要采用盾构法施工，隧道设计埋深为12m，隧道外径和管片厚度分别为5.5m和0.3m，左线和右线隧道为水平平行设计，水平间距约为12m。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深入地下，是地下水补给的主要来源。

1.2 数值模型

采用ABAQUS数值有限元建立计算模型（图1）。为提高计算效率，将数值模型设置为立方体，假定隧道为规则圆形。为有效研究隧道开挖对地表沉降变形的影响，本文建立了2个断面模型。其中断面1隧道中心埋深为15m，断面2隧道中心埋深为12m。模型的边界条件：左右边界约束水平方向的位移，底部边界约束3个方向的自由度，上表面为自由边界。岩土体计算模型为摩尔库伦本构模型。模型网格采用C3D8R减缩积分单元。模型网格总数为84210。综合以上分析，本文数值模型尺寸：断面1长度为100m，宽度位移为70m，高度位移为35.2m；断面2长度为100m，宽度位移为70m，高度位移为33.8m。隧道支护采用预制混凝土管片支护，衬砌采用结构单元，本文中的岩土体物理力学计算参数见表1。为简化计算，本文数值模拟计算不考虑地下水作用。隧道衬砌的弹性模量为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 断面1沉降分析

通常，隧道在开挖过程中会产生危岩应力释放，从而导致隧道及隧道附近地出现沉降变形。国内规范规定30mm为控制地下工程开挖对地面环境的不利影响的极限值。

为验证本文数值模型的可靠性，以断面1为研究对象，分析断面1的实测数据和数值模拟计算结果的差异性（图2）。其中，断面1隧道穿越的地层主要有粉土、黏土及中粗砂。现场实测监测点位于隧道中心线位置正上方的地表处。图2是断面1处地表实测横向沉降值的数值模拟结果和现场实测结果的对比图。结果表明，数值模拟结果与现场实测值吻合度基本相同。随着与隧道中心水平距离的增加，地表沉降变形呈现先增后减的趋势。其中模拟的最大沉降变形为-14.3mm，现场实测的最大沉降变形为-15.6mm。两者的相对误差在5%以内。此外，数值模拟与实测沉降变形均小于规范规定的30mm以内，说明隧道开挖引起的地表沉降数值满足安全性要求。

图3是地铁盾构隧道断面1地表纵向沉降变形曲线实测值与数值模拟值。结果表明，数值模拟与实测值吻合度较高。其中，地表纵向沉降变形随距隧道中心水平距离的增加而先增加后趋于平稳。其中模拟的最大沉降变形为-15mm，现场实测的最大沉降变形为-14.3mm，两者的相对误差在5%以内。对比图3（a）和图3（b）结果，隧道左右两线的地表纵向沉降变形规律基本相同。在开挖过程中，掌子面前方第一范围内的地表出现隆起变形。在隧道开挖后，距离掌子面20m左右的地表纵向沉降变形趋于平稳，证明隧道开挖对地表的沉降变形影响减弱。

2.2 断面2沉降分析

以断面2为研究对象，分析断面2的实测数据和数值模拟计算结果的差异性（图4）。其中，现场实测监测点位于隧道中心线位置正上方的地表。图4是断面2处地表实测横向沉降值的数值模拟结果和现场实测结果的对比图。结果表明，数值模拟结果与现场实测值吻合度基本相同。随着与隧道中心水平距离的增加，地表沉降变形呈现先增后减的趋势。其中模拟的最大沉降变形为-7.2mm，现场实测的最大沉降变形为-7.6mm。两者的相对误差在5%以内。数值模拟与实测沉降变形均小于规范规定的30mm以内。说明隧道开挖所引起的地表沉降满足安全性要求。此外，与断面1的地表沉降变形相比，由于断面1盾构下穿的粉质黏土厚度比较大，因此该断面的自稳性较好，断面2的沉降值小于断面1的沉降变形。

图5为地铁盾构隧道断面2地表纵向沉降变形曲线实测值与数值模拟值。结果表明，数值模拟与实测值吻合度较高。其中，随着与隧道中心水平距离的增加，地表纵向沉降变形先增加后趋于平稳。对比图5（a）和图5（b）的结果，隧道左右两线的地表纵向沉降变形规律基本相同。在开挖过程中，掌子面前方第一范围内的地表出现隆起变形。在隧道开挖后，距离掌子面20m左右的地表纵向沉降变形趋于平稳，证明隧道开挖对地表的沉降变形影响减弱。此外，与断面1的地表沉降变形相比，由于断面1盾构下穿的粉质黏土厚度比较大，因此综合来看，断面2的自稳性较好，断面2的沉降值小于断面1的沉降变形。

2.3 注浆层厚度对地表沉降影响

在实际工程中，通常采用注浆手段对隧道进行加固，为研究注浆厚度对地表沉降的影响，本文计算了注浆厚度分别为0m、0.1m、0.2m和0.3m工况下地表沉降的影响（图6）。结果表明，地表沉降位移随注浆厚度的增加而明显变小，地表沉降最大位置出现在隧洞拱顶处，当注浆厚度为0.0m时，对应的地表最大沉降为49.6mm，当注浆厚度为0.1m时，对应的地表最大沉降为10.86mm，当注浆厚度为0.2m时，对应的地表最大沉降为8.9mm，当注浆厚度为0.3m时，对应的地表最大沉降为8.6mm。可以看出，在一定范围内，注浆厚度越大，地表沉降位移越小。但在实际工程中，注浆厚度过大会对围岩应力造成不利影响，同时根据本文研究结果，注浆厚度由0.1m增至0.3m时，地表沉降变形变小幅度并不明显。

3 结论

本文依托某城市地铁隧道工程，基于ABAQUS数值模拟研究了地铁隧道开挖对地表沉降变形的影响。系统分析了两个典型断面的地表横向和纵向沉降变形规律。得到以下结论。1）典型断面1和断面2的地表沉降变形规律基本相似，且数值模拟得到的结果与现场实测数据的相对误差均在5%内，证明本文数值模拟是科学的。2）其中，地表横向变形随着与隧道中线距离的增加呈先增后减的趋势。隧道拱顶位置处的沉降变形最大，拱底隆起变形最大。断面1的最大沉降值和横向沉降值分别为24mm和15mm；断面2的最大沉降值和横向沉降值分别为8.2mm和7.0mm；3）当与掌子面的距离大于20m时，地铁隧道开挖对地表的沉降变形影响越来越不显著。地表沉降变形趋于平稳。综合来看，本项目沉降变形均小于规范规定的30mm。证明隧道开挖引起的地表沉降值是满足安全性要求的。4）地表沉降位移随注浆厚度的增加而明显变小，地表沉降最大位置出现在隧洞拱顶处。在一定范围内，注浆厚度越大，地表沉降位移越小，但注浆厚度由0.1m增至0.3m时，地表沉降变形变小幅度不明显。

参考文献

[1]张昭，李婷婷.基于流固耦合理论的郑州地铁隧道开挖数值模拟[J].河南科学，2017，35（8）：1304-1308.

[2]卫建军.黄土地铁隧道施工围岩及地表变形规律[J].科学技术与工程，2018，18（11）：287-292.

[3]孙小菊，姬程飞，刘涛.浅埋暗挖法对地表建筑物的影响研究[J].建筑技术，2017，48（11）：1214-1216.