楊國棟

(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，涿州 072750)

隨著近年來城市化進(jìn)程的不斷加快，地鐵建設(shè)項目日益增多，在地鐵盾構(gòu)隧道施工過程中容易誘發(fā)地表出現(xiàn)沉降現(xiàn)象[1]，因此分析地鐵盾構(gòu)隧道施工對地表沉降的影響對研究盾構(gòu)開挖的穩(wěn)定性具有重要的意義。近年來，國內(nèi)一些學(xué)者對此展開了研究，如馮慧君等[2]以天津地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道施工為例，采用FLAC3D軟件對該隧道的施工進(jìn)行了有限元模型構(gòu)建，從隧道開挖對地表沉降的影響進(jìn)行分析，驗證了雙線隧道盾構(gòu)施工對地表沉降的疊加效應(yīng)；顧俊等[3]針對廣州地鐵4號線進(jìn)行了盾構(gòu)法施工對周圍環(huán)境影響的三維有限元數(shù)值計算分析，同時對地表沉降采取了有效措施進(jìn)行防控；張達(dá)棟[4]對黃土地層中地鐵盾構(gòu)施工引起的地表沉降進(jìn)行了分析，并研究了等代層模量與土艙壓力對地表沉降槽寬度和最大沉降量的影響。

由以上研究可知，國內(nèi)學(xué)者主要是對地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降問題進(jìn)行研究，但根據(jù)本工程雙隧道水平平行設(shè)計的特點，且地面建筑物較多、設(shè)計難度較大，采用以上學(xué)者的方法進(jìn)行地表沉降的分析可靠性不高，應(yīng)根據(jù)項目自身的特點展開施工對地表沉降的影響分析。因此，本文以鄭州市軌道交通5號線某段地鐵盾構(gòu)隧道開挖為例，采用大型數(shù)值模擬軟件FLAC3D對兩個典型斷面進(jìn)行建模分析，再將隧道開挖引起的地表沉降與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到了一些有意義的結(jié)論，研究結(jié)果可為相似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 工程基本概況

鄭州市軌道交通5號線為城市核心區(qū)外圍邊緣的環(huán)形線路，沿黃河路、黃河?xùn)|路、熊耳河路、東風(fēng)東路、金水東路、心怡路、航海路、桐柏路和西站路敷設(shè)。該線心怡路站(建設(shè)使用名)～鄭州東站區(qū)間地面高程為86.26～88.68 m。心怡路站～鄭州東站區(qū)間右CK14+078.600～右CK14+957.800(左CK14+078.600～左CK14+957.800)，左線長度為899.841單線延米(含長鏈20.641 m)，右線長度為879.2單線延米，全長為1 779.041單線延米。

1.2 地質(zhì)情況

鄭州市市區(qū)出露地層全部為第四系地層，從更新統(tǒng)至全新統(tǒng)均有沉積，地層總厚度為50～200 m，自西南向東北地層由薄變厚，與下伏上第三系地層不整合接觸。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、本場地附近工程的相關(guān)地質(zhì)資料、本項目可研階段的勘察報告和本次勘察成果的分析報告，該段線路各地質(zhì)分區(qū)的地層巖性分布說明如下：沿線屬于黃河沖洪積平原，地形起伏不大，地面標(biāo)高為86.90～87.70 m，相對高差小于1 m。場地30 m 深度范圍內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)地層，0～18 m范圍的巖性為粉土、粉質(zhì)黏土和夾薄層砂土，20～30 m范圍的主要巖性為中密～密實細(xì)砂。根據(jù)巖土的時代成因、地層巖性及工程特性，本場地勘探揭露深度范圍內(nèi)的地層巖性主要為人工填土、粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂等。

1.3 施工方法

鄭州市軌道交通5號線該段地鐵工程采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道設(shè)計埋深為12.16 m，隧道外徑為5 800 mm，管片厚度為30 cm，地勢整體呈南高北低，雙隧道呈水平平行設(shè)計，兩者水平間距為12 m。該區(qū)間地質(zhì)以粉土、粉質(zhì)黏土、中粗砂以及粉質(zhì)填土為主。工程區(qū)內(nèi)不考慮地表水和地下水存在的影響。

2 數(shù)值建模

本文選取兩個典型斷面，并采用大型有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行建模分析。斷面一模型和斷面二模型的隧道中心埋深分別為15.0 m和13.5 m，由于隧道埋深較淺，建模時模型上表面即為地表，模型左右邊界、前后邊界以及底部邊界均進(jìn)行位移和邊界約束，邊界條件上表面為自由面，4 個側(cè)面約束法向位移，底面為固定支座，土體采用摩爾庫侖本構(gòu)模型。隧道開挖后，擾動區(qū)所在范圍為距洞室中心3～5倍洞室高度或?qū)挾鹊木嚯x，超過這個距離，開挖地下洞室造成的影響很小，可以忽略不計。模型的左右邊界均取隧道外徑的4倍即23.2 m，底部的邊界取外徑的3倍即17.4 m。

鑒于此，本文所建模型的尺寸如下：斷面一模型的長、寬、高分別為100.0 m、70.0 m、35.3 m，網(wǎng)格共計18 764個；斷面二模型的長、寬、高分別為100.0 m、70.0 m、33.8 m，網(wǎng)格共計16 876個，其中土體均采用實體單元。斷面一和斷面二的數(shù)值模型如圖1所示，土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。隧道支護(hù)為預(yù)制管片支護(hù)，襯砌采用結(jié)構(gòu)單元，并將鋼筋網(wǎng)等折合到混凝土上，隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表2所示。

(a) 斷面一

(b) 斷面二圖1 斷面一和斷面二的數(shù)值模型

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)

表2 隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值結(jié)果分析

隧道開挖會引起圍巖應(yīng)力釋放，進(jìn)而導(dǎo)致隧道周圍土體及地表發(fā)生沉降[5-6]。國內(nèi)現(xiàn)有的城市地鐵施工引起的地面沉降允許值，往往是由專家們?yōu)榭刂频叵鹿こ涕_挖對地面環(huán)境的不利影響而根據(jù)經(jīng)驗規(guī)定的，通常都采用30 mm為控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 隧道開挖斷面沉降分析

斷面一和斷面二開挖穩(wěn)定后的豎向位移云圖如圖2所示。

(a) 斷面一

(b) 斷面二圖2 斷面一和斷面二開挖穩(wěn)定后的豎向位移云圖

由圖2可知，兩個斷面的土體沉降規(guī)律一致，均為隧道拱頂處沉降最大，拱底處隆起最大，且均呈W形分布；斷面一的拱頂最大沉降值約為23.8 mm，地表最大橫向沉降值約為15.0 mm；斷面二的拱頂最大沉降值約為8.3 mm，地表最大橫向沉降值約為7.0 mm。

3.2 斷面一數(shù)值模擬和實測對比分析

為對數(shù)值模擬的可靠性進(jìn)行分析，本節(jié)以斷面一模型作為分析對象，斷面一盾構(gòu)下穿地層主要為粉土、粉質(zhì)黏土以及中粗砂。在隧道現(xiàn)場施工過程中，在地表設(shè)置監(jiān)測點來監(jiān)測地表的橫向沉降值，同樣在數(shù)值模擬過程中，在模型中心正上方設(shè)置監(jiān)測點[7，8]，再將兩者得到的沉降值繪制于同一個圖中，得到其對比圖。斷面一地表實測橫向沉降與數(shù)值模擬沉降對比如圖3所示。由圖3可知，模型邊界處的地表橫向沉降基本趨于零，說明模型尺寸滿足要求；實測的最大橫向沉降值約為14.6 mm，而數(shù)值模擬得到的最大橫向沉降值約為14.2 mm，雖然兩者存在誤差，但從兩者曲線形態(tài)來看，兩者吻合度較好，說明數(shù)值結(jié)果比較可靠。

圖3 斷面一地表實測橫向沉降與數(shù)值模擬沉降對比

研究地表縱向沉降對保證開挖的穩(wěn)定性同樣重要，同樣在隧道現(xiàn)場施工過程和數(shù)值模擬過程中設(shè)置監(jiān)測點來監(jiān)測地表的縱向沉降值[9]，再將二者得到的沉降值繪制于同一個圖中。斷面一地表實測縱向沉降與數(shù)值模擬沉降對比如圖4所示，其中橫軸0 m處表示掌子面，負(fù)值表示未開挖，正值表示已開挖，圖4(a)和圖4(b)分別代表左線隧道和右線隧道的地表縱向沉降。

(a) 左線

(b) 右線圖4 斷面一地表實測縱向沉降與數(shù)值模擬沉降對比

由圖4可知，左右線隧道均表現(xiàn)出相似的沉降規(guī)律，在開挖過程中，掌子面前方一定距離處地表形成隆起，這與盾構(gòu)機(jī)和土體之間的摩擦有關(guān)；開挖之后，距離掌子面20 m左右處的地表沉降基本趨于平穩(wěn)；左線的實測值與數(shù)值模擬值吻合度良好，右線實測值與數(shù)值模擬值雖有一些誤差，但整體吻合度良好。

3.3 斷面二數(shù)值模擬和實測對比分析

本節(jié)以斷面二模型為分析對象對數(shù)值模擬的可靠性進(jìn)行分析，斷面二盾構(gòu)下穿地層主要為粉質(zhì)黏土和粉土。在隧道現(xiàn)場施工過程中，在地表設(shè)置監(jiān)測點來監(jiān)測地表的橫向沉降值，同樣在數(shù)值模擬過程中，在模型中心正上方設(shè)置監(jiān)測點[10]，再將二者得到的橫向沉降值繪制于同一個圖中。斷面二地表實測橫向沉降與數(shù)值模擬沉降對比如圖5所示。由圖5可知，模型邊界處的地表橫向沉降基本趨于零，說明模型尺寸滿足要求；實測的最大橫向沉降值約為7.6 mm，而數(shù)值模擬得到的最大橫向沉降值約為7.2 mm，雖然兩者存在誤差，但從兩者曲線形態(tài)來看，兩者吻合度較好，說明數(shù)值結(jié)果比較可靠。

圖5 斷面二地表實測橫向沉降與數(shù)值模擬沉降對比

由于斷面二盾構(gòu)下穿的粉質(zhì)黏土厚度比較大，且自穩(wěn)性較好，故斷面二的橫向沉降要小于斷面一的橫向沉降，由此可知隧道開挖面處的地層特性是影響盾構(gòu)開挖穩(wěn)定性的重要因素。

同樣在隧道現(xiàn)場施工過程和數(shù)值模擬過程中設(shè)置監(jiān)測點來監(jiān)測地表的縱向沉降值，再將二者得到的沉降值繪制于同一個圖中。斷面二地表實測縱向沉降與數(shù)值模擬沉降對比如圖6所示，其中橫軸 0 m 處表示為掌子面，負(fù)值表示未開挖，正值表示已開挖，圖6(a)和圖6(b)分別代表左線隧道和右線隧道的地表縱向沉降。由圖6可知，左右線均表現(xiàn)出相似的沉降規(guī)律，在開挖面處，地表已發(fā)生沉降，在掌子面之前，地表發(fā)生隆起，這與盾構(gòu)機(jī)和土體之間的摩擦有關(guān)；開挖之后，距離掌子面20 m左右處的地表沉降基本趨于平穩(wěn)；左線的實測值與數(shù)值模擬值吻合度良好，右線實測值與數(shù)值模擬值雖有一些誤差，但整體吻合度良好。

(a) 左線

(b) 右線圖6 斷面二地表實測縱向沉降與數(shù)值模擬沉降對比

4 結(jié)論

本文以鄭州市軌道交通地鐵5號線某區(qū)間盾構(gòu)隧道開挖為例，采用大型數(shù)值模擬軟件FLAC3D對隧道開挖引起的地表沉降進(jìn)行建模分析，再將數(shù)值模擬值與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到以下結(jié)論：

(1) 兩個斷面的土體沉降規(guī)律一致，均呈W形分布，且隧道拱頂處沉降最大，拱底處隆起最大。斷面一的拱頂最大沉降值約為23.8 mm，地表最大橫向沉降值約為15.0 mm；斷面二的拱頂最大沉降值約為8.3 mm，地表最大橫向沉降值約為7.0 mm。

(2) 對于本文研究的兩個模型斷面，斷面一的地表最大橫向沉降值約為14.6 mm，對應(yīng)數(shù)值模擬得到的最大橫向沉降值約為14.2 mm；斷面二的地表最大橫向沉降值約為7.6 mm，對應(yīng)數(shù)值模擬得到的最大橫向沉降值約為7.2 mm；兩個橫斷面沉降的實測值和數(shù)值模擬值吻合度較好，說明數(shù)值模擬結(jié)果比較可靠。

(3) 對于地表縱向沉降，在開挖過程中，掌子面前方一定距離處地表發(fā)生隆起，這與盾構(gòu)機(jī)和土體之間的摩擦有關(guān)；開挖之后，距離掌子面20 m左右處的地表沉降基本趨于平穩(wěn)，且左右線的實測值與數(shù)值模擬值吻合度良好。

(4) 斷面二盾構(gòu)下穿的粉質(zhì)黏土厚度比較大，且自穩(wěn)性較好，故斷面二的沉降要小于斷面一的沉降，由此可知隧道開挖面處的地層特性是影響盾構(gòu)開挖穩(wěn)定性的重要因素。