地铁洞桩法隧道施工过程中地表及地下管线沉降数值模拟分析

摘要：以沈阳某地铁区间洞桩法隧道工程为背景，采用MIDAS GTS NX对隧道施工过程进行模拟，并对地表沉降、管线沉降进行数值分析。研究结果表明：地表及管线沉降在隧道各施工阶段逐步累积，尤其在导洞和正线拱部开挖时，沉降增长较大。边桩、中隔墙及拱部二衬组成的支撑体系，对隧道下部土体开挖起到保护作用，地表沉降总体可控。在实际施工时，应做好各部分开挖前的超前支护，注意开挖后及时施作钢拱架、喷射混凝土以及二衬结构，同时也要衔接好各施工步序，以便控制地表和管线沉降。

关键词：双连拱隧道；洞桩法；管线沉降；数值模拟

0" "引言

随着城市地铁建设的迅速推进，浅埋、大跨度的地下工程日益增多。这些工程通常位于交通繁忙的区域，管线迁改复杂，对地表沉降有较高要求[1]。洞桩法作为一种有效的施工方法，通过导洞、边桩和扣拱的结合，形成一个整体的支护体系，以确保在土方开挖期间的安全性，能有效控制地层沉降[2]。

有关专家学者对洞桩法的设计与施工进行了深入研究。楚刘辉[3]基于北京地铁牛街站洞桩法导洞开挖，对地表沉降影响进行研究，研究表明导洞的施工工艺对地表沉降的影响较为显著。通过优化导洞的施工工艺和掌子面间距，可以有效控制地表沉降。杨峰[4]依据西安某地铁车站洞桩法施工的地表变形数值模拟分析，研究结果表明，地表沉降曲线沿车站中线对称分布，在车站整体施工过程中，地表沉降量不断增加，增加速率呈现先增加后平缓、再增加最后平缓的现象。

洞桩法在地铁车站的建设中有广泛的应用，然而对于区间隧道单层结构的研究相对较少。基于此，本文以沈阳某地铁区间暗挖段工程为研究对象，采用数值模拟技术对浅埋大跨度洞桩法隧道施工过程进行了动态仿真分析。研究重点集中在地表沉降和管线沉降的变化规律上，旨在为未来类似工程的设计和施工提供科学依据和参考。

在研究中，首先建立精确的数值模型，模拟了隧道开挖过程。通过动态仿真，详细分析了不同施工阶段地表和管线的沉降情况，揭示了其变化趋势，并研究加强超前支护措施对沉降的影响。此外，本文提出了如优化支护结构设计、选择合适的施工方法和加强施工监测等措施，旨在有效控制地表和管线的沉降，确保工程的顺利进行和长期稳定运行。

1" "工程概况

沈阳某地铁区间位于鸭绿江北街下方，正线线间距为15m，并设有两条停车线。该区域地面交通繁忙，地下管线众多，周边建筑物对地表沉降要求较高。隧道全长197.7m，采用洞桩法施工，为四线双连拱单层结构，覆土厚度约9m。场地属于坡洪积、冰渍波状台地地貌单元，隧道穿越粉质黏土和中粗砂层，底板位于砾砂层，围岩等级为Ⅵ级。勘察期间未发现地表水，但存在一层微承压地下水，主要赋存于中粗砂、砾砂及圆砾层中，稳定水位埋深约18m。地质剖面图如图1所示。

2" "结构设计

2.1" "导洞结构设计

在导洞开挖之前，为了确保安全和稳定性，拱部区域采用DN32单排小导管预注浆加固地层，进行超前支护。初期支护结构由300mm厚C25网喷早强混凝土与钢筋格栅组成，其中格栅间距为0.5m。

1#导洞分为上下两层，宽度为4.1m，总高度为9m；2#和3#导洞的宽度均为4.1m，高度均为4.85m。在2#和3#导洞内，边桩为直径1000mm、间距1.5m的钻孔灌注桩，桩长10m。桩顶冠梁的尺寸为1700mm×1000mm（宽×高）。导洞横剖面见图2。

2.2" "主体结构设计

主体结构的拱部采用DN32双层小导管预注浆加固地层进行超前支护。初期支护结构由350mm厚C25网喷早强混凝土与钢筋格栅组成，其中格栅间距为0.5m。顶板的二衬厚度为0.8m（最薄处），侧墙的二衬厚度为0.8m，底板的二衬厚度为1.2m。隧道的剖面图见图3。

3" "数值模拟分析

3.1" "计算模型

在综合分析现场管线状况及地质环境后，本研究运用Midas GTS/NX有限元软件构建了三维隧道模型。该模型尺寸沿隧道长20m、宽100m、高40m，其地表设置为自由边界条件，底部施加固定约束，其余各面采用滚轴平动约束以模拟实际工况。

在计算过程中，土体材料选用修正摩尔库伦本构模型，以期准确描述其力学行为；衬砌和边桩采用弹性本构模型，分别以板单元和梁单元进行建模；冠梁与二次衬砌则以实体单元形式呈现，确保模型的整体性和准确性。经划分，模型共包含163554个节点和87597个单元。

关于模型的材料属性参数如表1所示。有限元计算模型的直观视图如图4所示，通过图4可直观地理解模型的构造和特点。

3.2" "施工步骤模拟

针对本工程的具体条件，施工过程的模拟步骤如下： ①初始地应力分析，并确保初始状态位移为零；②导洞进行超前注浆加固、开挖及支护；③边导洞与边桩、冠梁施工；④中导洞中隔墙施工；⑤边导洞扣拱回填；⑥正线拱部进行注浆、开挖及扣拱，并实施二次衬砌；⑦正线底部进行开挖、施作二衬。

3.3" "计算结果与分析

依据上述步骤对隧道进行开挖模拟，分别提取导洞开挖及支护完成，边桩、冠梁及中隔墙浇筑完成，正线初支扣拱完成，正线二衬完成四个关键施工步骤计算结果，对地表沉降、管线沉降进行数据分析。

3.3.1" "地表沉降分析

各关键施工步骤完成后的地层竖向位移如图5所示。关键施工步骤地表最大沉降值如表2所示。通过对地表沉降值的计算分析，可以明显观察到随着工程的推进，地表沉降逐渐增加。特别是在导洞开挖及支护、正线初支扣拱阶段，这两个阶段引起的地表沉降分别达到了9.6mm和11.9mm，分别占最终地表总沉降量的32.2%和39.9%。相比之下，边桩冠梁及中隔墙浇筑、正线二衬浇筑阶段所引起的地面沉降则相对较小。

为了有效控制地表沉降，在施工过程中必须采取一系列超前措施。首先，应加强超前支护，确保土体的稳定性；其次，缩短开挖进尺并及时施做初支结构，以减少对土体的扰动。

在本工程中，正线二衬采用逆作法，即在施作拱部二衬时，尽量减少中隔壁拆除的分段长度，并尽快搭设满堂脚手架进行二衬浇筑，从而缩短中隔壁拆除后的暴露时间。这一做法有助于快速形成边桩-拱部二衬-中隔墙整体的支撑体系，共同承受上部地层的压力，为隧道下部土体的开挖和二衬浇筑提供了有效的保护。

3.3.2" "管线沉降分析

各关键施工步骤完成后的管线沉降见图6。关键施工步骤管线最大沉降值表3所示。分析认为，本工程地下管线的埋深较浅，随着隧道施工的逐步进行，这些管线的沉降发展情况与地表沉降的趋势保持一致。然而由于各管线与隧道的相对位置不同，它们的沉降程度也呈现出一定的差异性。

具体而言，位于隧道中心线位置的DN800热力管沉降最为明显，而处于隧道边缘的管线则相对较小。这一现象表明，管线的沉降变化与其距离主要影响区的远近密切相关：越靠近主要影响区，沉降越大；反之，则越小。这种规律性的变化不仅揭示了管线沉降的内在机制，也为工程设计和施工提供了重要的参考依据。

3.3.3" "土层加固后沉降分析

经过上述计算和结果分析可知，沉降值总体上仍然较大。为了降低地表沉降对周边建筑物的影响以及减小管线的沉降，在开挖前，对正线拱部上方土体采取深孔注浆的方式进行加固处理。随后，进行模拟计算，以评估加固后的地面沉降和管线沉降情况，并对这些计算结果进行详细的对比分析。通过这种方式，能够更全面地了解加固措施的效果，并为后续的工程决策提供依据。

加固后各关键施工步骤完成后的地层竖向位移如表4所示。加固后各关键施工步骤完成后的管线沉降见表5所示。分析可知，在保持所有其他条件不变的情况下，开挖采用深孔注浆加固的拱部上方土体，与开挖未经过加固处理的土体相比，当正线二衬完成时，地面沉降显著减少了32.2%，管线沉降也相应减少了34.4%。这一数据表明，通过加强正线大断面开挖前的超前措施，可以有效地控制地面沉降及管线沉降。

分析认为，深孔注浆技术通过向土体中注入浆液，增强了土体的强度和稳定性。这种方法不仅能够提高土体的承载能力，还能有效防止土体在施工过程中发生过度变形和沉降。因此，在正线开挖前采用这种加固措施，可以显著减少地面和管线的沉降，从而保证工程的安全性和可靠性。

4" "相关建议

根据对沈阳地铁浅埋暗挖洞桩法隧道施工过程进行的数值模拟分析，可以得出以下结论及建议：

隧道开挖过程中，在导洞开挖及支护阶段和正线初支扣拱阶段，地表沉降显著增加。非开挖施工阶段引起的地面沉降相对较小。因此，建议土体开挖阶段应做好超前支护，或采用深孔注浆等超前加固措施，缩短开挖进尺并及时施作初支结构，以有效控制地表沉降。

本工程的正线二衬采用了逆作法施工技术。在初支扣拱成型后，拆除中隔壁进行拱部二衬施工时，地表仍会发生一定沉降。为了减少这种沉降，建议尽量减少中隔壁拆除的分段长度，并尽快进行二衬浇筑，缩短中隔壁拆除后的暴露时间。

考虑到本工程地下管线埋深较浅，随着隧道施工的进行，管线沉降情况与地表沉降的发展趋势基本一致。越靠近主要影响区，管线沉降越大；反之则越小。因此建议在施工过程中合理衔接各施工步序，避免管线发生较大不均匀沉降而产生破损。

5" "结束语

本文通过对沈阳地铁浅埋暗挖洞桩法隧道施工过程的数值模拟分析，得出了关于地表沉降、管线沉降以及施工策略的关键结论，并提出了针对性处置措施建议。通过这些综合措施的实施，不仅可以有效地控制地面和管线的沉降，还能够提高整个工程项目的安全性和可靠性，对于指导实际施工具有参考价值，有助于确保工程质量和安全。

参考文献

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[3]" 楚刘辉.洞桩法地铁车站导洞开挖对地表沉降的影响[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2023，22（1）：15-19+38.

[4]" 杨锋.西安某地铁车站洞桩法施工的地表变形规律数值模拟分析[J].城市轨道交通研究，2021，24（12）：43-48.

[5]" 张海明，姚爱军，王兆辉，等.地铁车站PBA法导洞施工诱发地表沉降规律研究[J].地下空间与工程学报，2017，13（2）：469-477.

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