隧道施工地表沉降参数敏感性分析

摘要：为研究隧道施工过程中地表沉降的影响因素，文章以某隧道施工工程项目为研究对象，基于有限元软件，分析不同相对埋深（隧道中心点到地表距离与隧道直径之比）、土体类型、压缩模量、粘聚力、泊松比、内摩擦角等条件下地表沉降变化规律。结果表明：相对埋深越大、压缩模量、粘聚力、泊松比、内摩擦角、地表最大沉降量越大；不同土体类型的地表最大沉降量大小分别为：填土＞黏土＞砂土；不同土体类型的地表沉降槽宽度大小分别为：填土＞黏土＞砂土。

关键词：隧道施工；地表沉降；数值模拟；影响因素

中图分类号：U456.3" " " "文献标识码：A" " " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.048

文章编号：1673-4874（2024）11-0163-04

0引言

随着我国城镇化的快速发展，城市常住人口也随之在飞速增多，为提高人民生活的便捷性与幸福感，越来越多的地下工程——隧道项目在逐渐落实［1］。地表沉降作为隧道施工过程中常见的工程问题，对地面建筑物及周围环境易造成不良影响［2］。因此，亟须对隧道施工过程中影响地表沉降的因素进行研究。

目前，国内外学者分别从不同角度对隧道施工地表沉降进行了一系列研究，陈天慧［3］基于ABAQUS有限元软件，研究了地表埋深、等代层厚度、注浆层弹性模量等在盾构隧道施工过程中对地表沉降的影响；袁海梁等［4］利用FLAC3D有限元软件，总结了常见的隧道施工方法，分析了隧道开挖前后围岩应力的变化规律，并研究了台阶法施工过程中隧道断面的位移演化规律；梁松林等［5］以广西某富水软弱地层隧道项目为研究背景，分析了注浆加固、超前小导管支护以及管棚预加固前后、单独加固、组合加固3种工况下地表沉降规律；贾兴明等［6］阐述了浅埋暗挖法隧道施工技术引起地表沉降的原理，并从施工技术、地表沉降控制等角度进行了研究；李映等［7］对一次注浆技术、二次注浆技术、同步注浆技术等加固措施进行了介绍，最后基于有限元软件，研究了注浆压力及注浆时间对地表沉降量的影响；侯丰等［8］基于PLAXIS有限元软件，对深厚软土盾构隧道施工过程中地表沉降进行了研究，并分析了单线、双线隧道施工的地表沉降规律。综上所述，隧道施工过程中地表极易发生沉降变形，但对引起地表沉降的因素的研究较少。

鉴于此，本文以某隧道施工工程项目为研究对象，基于有限元软件，分析不同相对埋深H/D（隧道中心点到地表距离与隧道直径之比）、土体类型、压缩模量、粘聚力、泊松比、内摩擦角等条件下地表沉降变化规律。对沉降控制及地表建筑物的保护具有重要意义。

1工程概况

本文以某隧道施工工程项目为研究对象，经实地勘探可知，土质自上而下分别为：填土、粉质黏土、黏土、粉砂、中砂。该工程范围内最大河流为黄河，河面宽度范围为150～600m，导致土质较为湿润；洞口埋深较浅，隧道围岩等级为Ⅴ级，现场采用双侧壁导坑法进行施工。项目所在区域受亚热带季风气候影响，雨量丰沛、空气湿润，平均气温在15.0℃～18.0℃。

2数值模型的建立

本文基于有限元软件建立该隧道模型，由于隧道的对称性，本文仅对一侧沉降进行研究，隧道数值模型如图1所示。

由图1可知，填土厚度为4m、粉质黏土厚度为6m、黏土厚度为20m、粉砂厚度为20m、中砂厚度为10m；隧道中心线距边界为60m，设置隧道直径D=10m，隧道埋深设置为H。各土质的物理力学参数如下页表1所示。

3结果分析

隧道开挖过程中，由于土体初始状态发生了改变，[JP]导致地表发生沉降变形；隧道埋深、隧道直径、土体摩擦系数、粘聚力等均对地表沉降产生影响。故本文研究不同相对埋深H/D（隧道中心点到地表距离与隧道直径之比）、土体类型、压缩模量、粘聚力、泊松比、内摩擦角等条件下地表沉降变化规律。

3.1相对深度及土体类型分析

本文设置4种相对埋深H/D梯度：1、2、3、4；3种土体类型：填土、黏土、砂土。H/D=1工况下土体类型对地表沉降量的影响如图2所示。

由图2可知，地表沉降量随距隧道中心线距离的增大在逐渐减小，地表沉降量大小为：填土＞黏土＞砂土。隧道中心线处地表沉降量最大，分别为：1.07m（填土）、0.28m（黏土）、0.2m（砂土）。沉降量曲线斜率也在逐渐减小。

H/D=2工况下土体类型对地表沉降量的影响如图3所示。

由图3可知，地表沉降量随距隧道中心线距离的增大在逐渐减小，地表沉降量大小为：填土＞黏土＞砂土。隧道中心线处地表沉降量最大，分别为：0.62m（填土）、0.24m（黏土）、0.12m（砂土）。沉降量曲线斜率也在逐渐减小。

H/D=3工况下土体类型对地表沉降量的影响如图4所示。

由图4可知，地表沉降量随距隧道中心线距离的增大在逐渐减小，地表沉降量大小为：填土＞黏土＞砂土。隧道中心线处地表沉降量最大，分别为：0.55m（填土）、0.23m（黏土）、0.07m（砂土）。沉降量曲线斜率也在逐渐减小。

H/D=4工况下土体类型对地表沉降量的影响如图5所示。

由图5可知，地表沉降量随距隧道中心线距离的增大在逐渐减小，地表沉降量大小为：填土＞黏土＞砂土。隧道中心线处地表沉降量最大，分别为：0.48m（填土）、0.18m（黏土）、0.06m（砂土）。沉降量曲线斜率也在逐渐减小。

综上所述，地表最大沉降量均在隧道中心线处，3种土体类型对应的最大沉降量随不同相对埋深H/D变化如图6所示。

由图6可知，地表最大沉降量随着相对埋深H/D的增大在逐渐减小，且地表最大沉降量曲线斜率在逐渐减小。地表为填土时，相对埋深H/D=1的最大沉降量为1.07m；相对埋深H/D=2时，地表最大沉降量减小至0.63m，较相对埋深H/D=1工况减小了0.44m，降低了41.12%；相对埋深H/D=3时，地表最大沉降量减小至0.55m，较相对埋深H/D=1工况减小了0.52m，降低了48.6%；相对埋深H/D=4时，地表最大沉降量减小至0.48m，较相对埋深H/D=1工况减小了0.59m，降低了55.14%。

地表为黏土时，相对埋深H/D=1的最大沉降量为0.28m；相对埋深H/D=2时，地表最大沉降量减小至0.24m，较相对埋深H/D=1工况减小了0.04m，降低了14.29%；相对埋深H/D=3时，地表最大沉降量减小至0.23m，较相对埋深H/D=1工况减小了0.05m，降低了17.86%；相对埋深H/D=4时，地表最大沉降量减小至0.18m，较相对埋深H/D=1工况减小了0.1m，降低了35.71%。

地表为砂土时，相对埋深H/D=1的最大沉降量为0.2m；相对埋深H/D=2时，地表最大沉降量减小至0.12m，较相对埋深H/D=1工况减小了0.08m，降低了40%；相对埋深H/D=3时，地表最大沉降量减小至0.07m，较相对埋深H/D=1工况减小了0.13m，降低了65%；相对埋深H/D=4时，地表最大沉降量减小至0.06m，较相对埋深H/D=1工况减小了0.14m，降低了70%。

土体类型及相对埋深H/D对沉降范围产生影响，3种土体类型对应的沉降槽宽度随不同相对埋深H/D变化如图7所示。

由图7可知，沉降槽宽度随相对埋深H/D的增大呈先稳定后增大的趋势，沉降槽宽度大小为：填土＞黏土＞砂土。相对埋深H/D=1时填土、黏土及砂土的沉降槽宽度分别为108m、72m、60m；黏土、砂土的沉降槽宽度分别为填土的66.67%、55.56%。相对埋深H/D=2时填土、黏土及砂土的沉降槽宽度分别为109m、72m、60m；黏土、砂土的沉降槽宽度分别为填土的66.06%、55.05%。相对埋深H/D=3时填土、黏土及砂土的沉降槽宽度分别为120m、96m、84m；黏土、砂土的沉降槽宽度分别为填土的66.06%、55.05%。相对埋深H/D=4时填土、黏土及砂土的沉降槽宽度分别为108m、96m、84m；黏土、砂土的沉降槽宽度分别为填土的88.89%、77.78%。综上所述，相对埋深H/D=3时的沉降槽宽度最大，说明此时的影响范围最大，故在隧道开挖时应尽量避免该尺寸。

3.2土体参数分析

为研究土体压缩模量对地表沉降量的影响，本文设置6种压缩模量梯度：5MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa。不同土体压缩模量对应的最大沉降量随不同相对埋深H/D变化如图8所示。

由图8可知，地表最大沉降量随土体压缩模量的增大在逐渐减小，沉降量曲线斜率在逐渐减小。相对埋深H/D=1时，土体压缩模量为5MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa的地表最大沉降量分别为1.07m、0.69m、0.26m、0.22m、0.18m、0.11m。以土体压缩模量5MPa为基准，土体压缩模量为10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa的地表最大沉降量分别减小了0.38m、0.81m、0.85m、0.89m、0.96m；增大土体压缩模量对地表最大沉降量降低效率分别为：35.51%/5MPa、25.23%/5MPa、15.89%/5MPa、11.88%/5MPa、9.97%/5MPa，说明增大土体压缩模量对沉降量的降低效果在逐渐减弱。

相对埋深H/D=4时，土体压缩模量为5MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa的地表最大沉降量分别为0.48m、0.3m、0.17m、0.11m、0.06m、0.05m，较相对埋深H/D=1时地表最大沉降量分别减小了0.59m、0.39m、0.09m、0.11m、0.13m、0.06m；以土体压缩模量5MPa为基准，土体压缩模量为10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa的地表最大沉降量分别减小了0.18m、0.31m、0.37m、0.42m、0.43m；增大土体压缩模量对地表最大沉降量降低效率分别为：37.5%/5MPa、21.53%/5MPa、15.42%/5MPa、12.5%/5MPa、9.95%/5MPa，说明增大土体压缩模量对沉降量的降低效果在逐渐减弱，且土体压缩模量的降低效果远大于相对埋深的增大。

相对埋深H/D为2、3时的变化趋势基本一致，本文不再进行分析。

为研究土体粘聚力对地表沉降量的影响，本文设置4种粘聚力梯度：5kPa、10kPa、15kPa、20kPa。不同土体粘聚力对应的最大沉降量随不同相对埋深H/D变化如图9所示。

由图9可知，地表最大沉降量随土体粘聚力的增大在逐渐减小，沉降量曲线斜率在逐渐减小。

粘聚力为5kPa时，相对埋深H/D为1、2、3、4的最大沉降量分别为0.4m、0.24m、0.23m、0.21m；相对埋深H/D为2、3、4时，较相对埋深H/D=1工况分别减小了0.16m、0.17m、0.19m，分别降低了40%、42.5%、47.5%。

粘聚力为10kPa时，相对埋深H/D为1、2、3、4的最大沉降量分别为0.35m、0.24m、0.23m、0.2m；相对埋深H/D为2、3、4时，较相对埋深H/D=1工况分别减小了0.11m、0.12m、0.15m，分别降低了31.43%、34.29%、42.85%。

粘聚力为15kPa时，相对埋深H/D为1、2、3、4的最大沉降量分别为0.3m、0.25m、0.23m、0.2m；相对埋深H/D为2、3、4时，较相对埋深H/D=1工况分别减小了0.05m、0.07m、0.1m，分别降低了16.67%、23.33%、33.33%。

为研究土体泊松比对地表沉降量的影响，本文设置4种泊松比梯度：0.1、0.2、0.3、0.4。不同土体泊松比对应的最大沉降量随不同相对埋深H/D变化如图10所示。

由图10可知，地表最大沉降量随土体泊松比的增大在逐渐减小，随相对埋深的增大在逐渐减小。本文以泊松比0.3为例进行分析，相对埋深H/D为1、2、3、4的最大沉降量分别为0.31m、0.3m、0.29m、0.25m；相对埋深H/D为2、3、4时较相对埋深H/D=1工况分别减小了0.01m、0.02m、0.06m，分别降低了3.23%、6.45%、19.35%。

为研究土体内摩擦角对地表沉降量的影响，本文设置4种内摩擦角梯度：15°、25°、35°、45°。不同土体内摩擦角对应的最大沉降量随不同相对埋深H/D变化如图11所示。

由图11可知，地表最大沉降量随土体内摩擦角的增大在逐渐减小，随相对埋深的增大在逐渐减小。本文以内摩擦角25°为例进行分析，相对埋深H/D为1、2、3、4的最大沉降量分别为0.4m、0.32m、0.3m、0.26m；相对埋深H/D为2、3、4时较相对埋深H/D=1工况分别减小了0.08m、0.1m、0.14m，分别降低了20%、25%、35%。

4结语

（1）不同土体类型工况下，相对埋深H/D=2的地表最大沉降量较小，且沉降槽宽度较小，因此在进行隧道开挖及设计时优先选择该埋深。

（2）土体类型对地表沉降影响效果显著，地表土质换填法可作为地表沉降控制及建筑物保护的一种措施。

（3）压缩模量、粘聚力、泊松比、内摩擦角等与地表沉降量均呈负相关，对地表沉降量的控制效果大小分别为：内摩擦角＞压缩模量＞泊松比＞粘聚力。

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作者简介：徐邵鹏（1990—），工程师，主要从事隧道工程技术管理工作。

收稿日期：2024-05-16