葉 紅

(武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

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風(fēng)化砂巖中地鐵隧道埋深對(duì)地表沉降影響的數(shù)值分析

葉 紅

(武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

為了進(jìn)一步研究地鐵隧道開(kāi)挖引起的地表沉降，文章利用FLAC3D軟件數(shù)值模擬了風(fēng)化砂巖中地鐵隧道埋深對(duì)地表沉降的影響。數(shù)值模擬的研究結(jié)果表明：(1)位于地鐵隧道中軸線(xiàn)正上方處的地表沉降值最大，距離地鐵隧道中軸線(xiàn)兩側(cè)的地表沉降值逐漸減??；(2)在地鐵隧道掌子面附近，地鐵隧道已開(kāi)挖處的地表沉降值最大，掌子面處的地表沉降值次之，地鐵隧道未開(kāi)挖處的地表沉降值最小。研究成果可為風(fēng)化砂巖中地鐵隧道開(kāi)挖引起的地表沉降預(yù)測(cè)提供參考作用。

地鐵隧道；地表沉降；數(shù)值模擬；風(fēng)化砂巖

一般情況下，城市地鐵隧道在開(kāi)挖過(guò)程中，會(huì)遇到比翻山越嶺的公(鐵)路隧道還要復(fù)雜的地質(zhì)情況[1]。如果地鐵隧道開(kāi)挖引起比較大的不均勻沉降甚至坍塌，會(huì)對(duì)地面建筑物造成比較大的損壞[2]。為了消除地鐵隧道開(kāi)挖引起的地表沉降帶來(lái)的安全隱患，有必要對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中的地鐵隧道進(jìn)行預(yù)測(cè)，有效降低地鐵隧道開(kāi)挖引起的事故發(fā)生概率[3]。然而由于地鐵隧道周邊環(huán)境的復(fù)雜性，導(dǎo)致很難通過(guò)一些常規(guī)的數(shù)值模型來(lái)數(shù)值模擬地鐵隧道開(kāi)挖引起的地表沉降。鑒于此，許多學(xué)者主要從理論分析、數(shù)值模擬分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析等不同角度對(duì)地鐵隧道開(kāi)挖引起的地表沉降進(jìn)行了研究。

目前關(guān)于地鐵隧道開(kāi)挖引起的地表沉降的相關(guān)研究有：陳春舒、夏元友等[2,4]用Peck公式對(duì)長(zhǎng)江一級(jí)階地地區(qū)武漢地鐵4號(hào)線(xiàn)5標(biāo)段盾構(gòu)實(shí)例的地表斷面沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，并結(jié)合隨機(jī)介質(zhì)理論推導(dǎo)了地層水平位移公式以及地層沉降理論公式。周奇才、邱業(yè)建等[5-6]根據(jù)圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)的沉降變形監(jiān)測(cè)原理，建立了地鐵隧道沉降變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用誤差分析理論對(duì)系統(tǒng)測(cè)量誤差進(jìn)行了分析，提出了沉降變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的誤差累積計(jì)算模型，在全面總結(jié)分析沉降觀測(cè)過(guò)程中誤差來(lái)源及原理的基礎(chǔ)上，提出了有針對(duì)性的誤差降低或消除方法。 王鐵男等[7]結(jié)合沈陽(yáng)地鐵青懷區(qū)間段的相關(guān)資料，用FLAC軟件對(duì)該區(qū)間段的地鐵隧道開(kāi)挖進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到了沈陽(yáng)地鐵青懷區(qū)間段的隧道位移變形以及各種應(yīng)力云圖等重要工程信息。以上的研究均假設(shè)地鐵隧道周邊巖土體的力學(xué)性質(zhì)為均質(zhì)的，本文假設(shè)風(fēng)化砂巖中地鐵隧道上方砂巖的力學(xué)性質(zhì)按線(xiàn)性函數(shù)梯度變化，數(shù)值模擬研究地鐵隧道埋深對(duì)地表沉降影響。

1 風(fēng)化砂巖的力學(xué)性質(zhì)

巖石在大氣、太陽(yáng)、水和生物等的作用下出現(xiàn)破碎、疏松，礦物成分發(fā)生次生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為巖石風(fēng)化[8]。全風(fēng)化的巖石，浸水能崩解，壓縮性能增大，手可捏碎；強(qiáng)風(fēng)化的巖石，變形量小，承載強(qiáng)度低，物理力學(xué)性質(zhì)顯著降低，巖塊單軸抗壓強(qiáng)度小于原巖的1/3；弱風(fēng)化的巖石，力學(xué)性質(zhì)較原巖低，單軸抗壓強(qiáng)度為原巖的1/3—1/2；微風(fēng)化的巖石，物理性質(zhì)幾乎不變，力學(xué)強(qiáng)度略有減弱。由于巖石風(fēng)化作用一般是自巖體表面逐漸向巖體內(nèi)部進(jìn)行的，因此愈靠近地表，風(fēng)化作用就愈強(qiáng)烈，巖石風(fēng)化程度也愈嚴(yán)重；愈向巖石內(nèi)部，巖石風(fēng)化得愈輕微，最后過(guò)渡到未經(jīng)風(fēng)化的新鮮巖石。隨著巖石深度的增加其風(fēng)化程度一般會(huì)減小，直至未風(fēng)化區(qū)域風(fēng)化程度不在改變，其力學(xué)性質(zhì)也在做相應(yīng)的變化。在砂巖風(fēng)化程度變化區(qū)域，隨著風(fēng)化程度的逐漸減小，風(fēng)化砂巖的彈性模量會(huì)增加，風(fēng)化砂巖的泊松比會(huì)減小，風(fēng)化砂巖的凝聚力也會(huì)增加，風(fēng)化砂巖的內(nèi)摩擦角也會(huì)減小[9]。如果在風(fēng)化區(qū)域內(nèi)風(fēng)化砂巖的力學(xué)參數(shù)隨巖體深度按線(xiàn)性函數(shù)變化，其力學(xué)參數(shù)函數(shù)可按下式表達(dá)：

E=E0+kez (z≤H)

(1)

υ=υ0-kυz (z≤H)

(2)

c=c0+kcz (z≤H)

(3)

φ=φ0-kaz (z≤H)

(4)

在上述公式中， E0、υ0、c0、φ0分別為地表處風(fēng)化砂巖的彈性模量(GPa)、泊松比(無(wú)量綱)、凝聚力(MPa)、內(nèi)摩擦角(o)；ke為風(fēng)化砂巖力學(xué)參數(shù)彈性模量隨砂巖深度變化的系數(shù)(GPa/m)，kυ為風(fēng)化砂巖力學(xué)參數(shù)泊松比隨砂巖深度變化的系數(shù)(/m)，kc為風(fēng)化砂巖力學(xué)參數(shù)凝聚力隨砂巖深度變化的系數(shù)(MPa/m)，ka為風(fēng)化砂巖力學(xué)參數(shù)內(nèi)摩擦角隨砂巖深度變化的系數(shù)(o/m)；在zH范圍內(nèi)風(fēng)化砂巖的力學(xué)參數(shù)按線(xiàn)性函數(shù)變化，在z≥H范圍內(nèi)風(fēng)化砂巖的力學(xué)參數(shù)為常數(shù)。

2 數(shù)值模擬研究

地鐵隧道開(kāi)挖后，隧道上方一定范圍內(nèi)地表會(huì)發(fā)生沉降，形成地表沉降槽，如圖1所示。在地鐵隧道開(kāi)挖過(guò)程中引起地表沉降的因素有很多，其中，隧道埋深及其上方覆蓋巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)是主要因素[10]。

圖1 地鐵隧道開(kāi)挖引起的地表沉降示意圖[11]

本文假定地鐵隧道上方覆蓋巖土體的物理力學(xué)參數(shù)按線(xiàn)性函數(shù)變化，本文主要采用FLAC3D軟件數(shù)值模擬隧道埋深對(duì)地表沉降的影響。為了降低尺寸效應(yīng)和提高計(jì)算效率[12-13]，F(xiàn)LAC3D軟件數(shù)值模型尺寸(x×y×z)設(shè)為120m×120m×60m，x方向表示地鐵隧道的橫向(垂直于地鐵隧道開(kāi)挖方向)，y方向表示地鐵隧道的縱向(平行于地鐵隧道開(kāi)挖方向)，z方向表示砂巖層厚度；隧道直徑(D)6m，隧道埋深(H)分別取9m、15m、21m、27m、33m，邊界條件為z=0平面自由且其它平面固定，以此探討隧道埋深對(duì)地表沉降的影響。依據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)的研究成果[14]，地表處風(fēng)化砂巖的彈性模量E0取11GPa，地表處風(fēng)化砂巖的泊松比υ0取0.28，地表處風(fēng)化砂巖的凝聚力c0取1.494MPa，地表處風(fēng)化砂巖的內(nèi)摩擦角φ0取30.52o；如果風(fēng)化砂巖力學(xué)參數(shù)彈性模量隨砂巖深度變化系數(shù)ke為0.05 GPa/m，風(fēng)化砂巖力學(xué)參數(shù)泊松比隨砂巖深度變化系數(shù)kυ為0.001 /m，風(fēng)化砂巖力學(xué)參數(shù)凝聚力隨砂巖深度變化系數(shù)kc為0.01MPa/m，風(fēng)化砂巖力學(xué)參數(shù)內(nèi)摩擦角隨砂巖深度變化系數(shù)ka為0.2o/m；則隧道埋深上方(zH)風(fēng)化砂巖的力學(xué)參數(shù)表達(dá)式如下：

E=11+0.05z

(5)

υ=0.28-0.001z

(6)

c=1.494+0.01z

(7)

φ=30.52-0.2z

(8)

當(dāng)?shù)罔F隧道中心至地表的距離(H)分別為9m、15m、21m、27m、33m時(shí)，距離地鐵隧道掌子面8m且隧道已開(kāi)挖處的地表(y=-8m)、掌子面處的地表(y=0m)、距離地鐵隧道掌子面4m且隧道未開(kāi)挖處的地表(y=4m)，通過(guò)FLAC3D軟件數(shù)值模擬隧道埋深對(duì)此三個(gè)斷面處的地表沉降分布情況的影響，圖2表示這三個(gè)斷面的地表測(cè)點(diǎn)位置。

圖2 掌子面附近地表測(cè)點(diǎn)平面圖

圖3-圖7表明當(dāng)?shù)罔F隧道直徑為6m，地鐵隧道中心至地表的距離(H)分別為9m、15m、21m、27m、33m時(shí)，地鐵隧道掌子面附近地表沉降的分布情況。在同一橫向斷面上位于地鐵隧道中軸線(xiàn)正上方處的地表沉降值最大，距離地鐵隧道中軸線(xiàn)兩側(cè)的地表沉降值逐漸減小，即均以地鐵隧道中軸線(xiàn)為沉降中心呈“V”字形展開(kāi)；在同一橫向斷面上，地鐵隧道中心至地表的距離(H)越大，地表沉降曲線(xiàn)圖越趨于平緩，且地表沉降最大值逐漸減小，說(shuō)明隨著地鐵隧道中心至地表距離的增加其對(duì)地表沉降的影響范圍在逐漸擴(kuò)大；地鐵隧道中心至地表的距離(H)不改變的情況下，將地鐵隧道掌子面前后橫向斷面的地表沉降最大值進(jìn)行比較，距離地鐵隧道掌子面8m且隧道已開(kāi)挖處的地表沉降最大值最大，掌子面處的地表沉降最大值次之，距離地鐵隧道掌子面4m且隧道未開(kāi)挖處的地表沉降最大值最小。

圖3 地鐵隧道掌子面附近地表沉降曲線(xiàn)圖(H=9m)

圖4 地鐵隧道掌子面附近地表沉降曲線(xiàn)圖(H=15m)

圖5 地鐵隧道掌子面附近地表沉降曲線(xiàn)圖(H=21m)

圖6 地鐵隧道掌子面附近地表沉降曲線(xiàn)圖(H=27m)

圖7 地鐵隧道掌子面附近地表沉降曲線(xiàn)圖(H=33m)

圖8-圖10表明地鐵隧道中心至地表的距離(H)分別為9m、15m、21m、27m、33m時(shí)，地鐵隧道掌子面前后地表沉降的分布情況。由圖8-圖10可知：在地鐵隧道直徑不變的情況下，地鐵隧道中心至地表的距離越大，地表沉降最大值就逐漸減小直至收斂，但對(duì)地表沉降的影響范圍在逐漸擴(kuò)大，這是因?yàn)榈罔F隧道的開(kāi)挖造成了巖土體內(nèi)部應(yīng)力的改變，地鐵隧道中心至地表的距離越大，巖土體內(nèi)部應(yīng)力的改變對(duì)地鐵隧道中軸線(xiàn)上的地表沉降值的影響就越小，但對(duì)地表沉降的影響范圍在逐漸擴(kuò)大。也就是說(shuō)，在本文的數(shù)值模擬中，如果其它條件相同，隨著地鐵隧道埋深的增大，地表沉降會(huì)逐漸減小，但沉降影響范圍會(huì)逐漸增大，形成“寬而淺”的沉降槽。

圖8 地鐵隧道中心至地表距離變化時(shí)的地表沉降曲線(xiàn)圖(y=-8m)

圖9 地鐵隧道中心至地表距離變化時(shí)的地表沉降曲線(xiàn)圖(y=0m)

圖10 地鐵隧道中心至地表距離變化時(shí)的地表沉降曲線(xiàn)圖(y=4m)

由圖11可以看出：隨著地鐵隧道中心至地表距離(H)的逐漸增大，地表沉降最大值逐漸減小，這是因?yàn)殡S著地鐵隧道中心至地表距離(H)的增大減小了地鐵隧道的開(kāi)挖引起的巖土體內(nèi)部應(yīng)力改變對(duì)地表的影響；地鐵隧道中心至地表的距離(H)分別為9m、15m、21m、27m、33m時(shí)，距離地鐵隧道掌子面8m且隧道已開(kāi)挖處的地表沉降最大值最大，掌子面處的地表沉降最大值次之，距離地鐵隧道掌子面4m且隧道未開(kāi)挖處的地表沉降最大值最小，由此可以推斷出，地鐵隧道在開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降會(huì)經(jīng)歷“微小沉降—急劇沉降—緩慢沉降—沉降基本穩(wěn)定”這幾個(gè)階段。這是因?yàn)榈罔F隧道的開(kāi)挖引起的巖土體內(nèi)部應(yīng)力改變對(duì)未開(kāi)挖處的地表的影響距離較遠(yuǎn)，對(duì)已開(kāi)挖處的地表的影響距離較近。

圖11 地表沉降最大值與地鐵隧道中心至地表距離的關(guān)系圖

3 結(jié)論

2)規(guī)則2。豎井掘進(jìn)機(jī)偏移為正大，偏移改變量為零，說(shuō)明此時(shí)機(jī)體軸線(xiàn)與設(shè)計(jì)軸線(xiàn)平行，但存在較大的偏移，為使豎井掘進(jìn)機(jī)盡快回到設(shè)計(jì)軸線(xiàn)，液壓缸壓力差應(yīng)取負(fù)大，減小機(jī)體的偏移。

通過(guò)FLAC3D軟件，數(shù)值模擬了風(fēng)化砂巖中地鐵隧道直徑(D)為6m和地鐵隧道埋深(H)分別為9m、15m、21m、27m、33m時(shí)地鐵隧道埋深對(duì)地表沉降分布情況的影響，得到以下結(jié)論：

(1)在同一個(gè)橫向斷面上，位于地鐵隧道中軸線(xiàn)正上方處的地表沉降值最大，距離地鐵隧道中軸線(xiàn)兩側(cè)的地表沉降值逐漸減小；(2)在同一個(gè)橫向斷面上，隨著地鐵隧道中心至地表的距離的增加，橫向地表沉降曲線(xiàn)圖逐漸趨于平緩，地表沉降最大值逐漸減小；(3)在地鐵隧道掌子面附近，地鐵隧道已開(kāi)挖處的地表沉降曲線(xiàn)最陡峭，地鐵隧道未開(kāi)挖處的地表沉降曲線(xiàn)最平緩，掌子面處的地表沉降曲線(xiàn)介于兩者之間；地鐵隧道已開(kāi)挖處的地表沉降最大值最大，掌子面處的地表沉降最大值次之，地鐵隧道未開(kāi)挖處的地表沉降最大值最小。

以上研究雖然數(shù)值模擬分析了地鐵隧道中心至地表的距離對(duì)地表沉降分布情況的影響，但還存在一定的局限性，例如：地鐵隧道埋深的繼續(xù)增加對(duì)地表沉降分布情況的影響還需要進(jìn)一步的探討。以上研究雖然取得了一定的數(shù)值模擬成果，但還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

[1]裴春,李俊才,郭亮,等.地鐵隧道沉降規(guī)律多因素分析[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,(6):104-110.

[2]夏元友,陳春舒,BAKRI Mudthir,等.淺埋隧道開(kāi)挖引起的土體水平位移分析[J].巖土力學(xué),2015,(2):354-360.

[3]高彩云,崔希民,高寧.熵權(quán)遺傳算法及極限學(xué)習(xí)機(jī)地鐵隧道沉降預(yù)測(cè)[J].測(cè)繪科學(xué),2016,(2):71-75.

[4]陳春舒,夏元友.Peck公式在長(zhǎng)江一級(jí)階地盾構(gòu)中的適用性研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,(9):85-90.

[5]周奇才,傅天宏,熊肖磊,等.地鐵隧道沉降變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誤差分析[J].測(cè)控技術(shù),2014,(2):120-123.

[6]邱業(yè)建,雷明鋒,唐雨.沉降觀測(cè)中的誤差及降低誤差的方法[J].湖南交通科技,2015,(1):85-88，171.

[7]王鐵男,郝哲. FLAC在地鐵隧道數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J].沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,(1):11-14.

[8]葉紅.風(fēng)化巖體中壓力型錨索錨固機(jī)理與設(shè)計(jì)方法研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2010.

[9]張衛(wèi)中,陳從新,余明遠(yuǎn).風(fēng)化砂巖的力學(xué)特性及本構(gòu)關(guān)系研究[J].巖土力學(xué),2009,(S1):33-36.

[10]柳厚祥.地鐵隧道盾構(gòu)施工誘發(fā)地層移動(dòng)機(jī)理分析與控制研究[D].西安：西安理工大學(xué),2008.

[11]陳春舒.地層位移模型在淺埋隧道工程中的適用性研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2013.

[12]葉紅,陳燕平.巖體風(fēng)化程度對(duì)壓力型錨索錨固機(jī)理影響的數(shù)值模擬研究[J].化工礦物與加工,2014,(4):29-31.

[13]葉紅,陳燕平.基于Boussinesq問(wèn)題解的壓力型錨索錨固段的應(yīng)力分析[J].化工礦物與加工,2015,(9):31-35.

[14]蔡光煌.非均質(zhì)地層中地鐵開(kāi)挖引起地表沉降的數(shù)值模擬研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2012.

我國(guó)工程教育正式加入《華盛頓協(xié)議》

據(jù)《中國(guó)教育報(bào)》報(bào)道，2016年6月2日上午，在馬來(lái)西亞吉隆坡舉行的國(guó)際工程聯(lián)盟大會(huì)上，經(jīng)過(guò)《華盛頓協(xié)議》組織的閉門(mén)會(huì)議，全體正式成員集體表決，全票通過(guò)了中國(guó)的轉(zhuǎn)正申請(qǐng)。至此，我國(guó)成為《華盛頓協(xié)議》第18個(gè)正式成員。

作為國(guó)際上最具影響力的工程教育學(xué)位互認(rèn)協(xié)議，成立于1989年的《華盛頓協(xié)議》，由美國(guó)等6個(gè)英語(yǔ)國(guó)家的工程教育認(rèn)證機(jī)構(gòu)發(fā)起，其宗旨是通過(guò)多邊認(rèn)可工程教育認(rèn)證結(jié)果，實(shí)現(xiàn)工程學(xué)位互認(rèn)，促進(jìn)工程技術(shù)人員國(guó)際流動(dòng)。

經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，目前《華盛頓協(xié)議》成員遍及五大洲，包括中國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、加拿大、愛(ài)爾蘭、澳大利亞、新西蘭、中國(guó)香港、南非、日本、新加坡、中華臺(tái)北、韓國(guó)、馬來(lái)西亞、土耳其、俄羅斯、印度、斯里蘭卡等18個(gè)正式成員。

我國(guó)于2013年6月成為《華盛頓協(xié)議》預(yù)備成員，2014年初提交轉(zhuǎn)正申請(qǐng)，經(jīng)過(guò)該組織的資料審查、現(xiàn)場(chǎng)考察和會(huì)議表決后，今年6月實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)正。成為正式成員后，我國(guó)將全面參與《華盛頓協(xié)議》各項(xiàng)規(guī)則的制定，我國(guó)工程教育認(rèn)證的結(jié)果將得到其他成員認(rèn)可，通過(guò)認(rèn)證專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)生在相關(guān)國(guó)家申請(qǐng)工程師執(zhí)業(yè)資格時(shí)，將享有與本國(guó)畢業(yè)生同等待遇。

“正式加入《華盛頓協(xié)議》，標(biāo)志著我國(guó)高等教育對(duì)外開(kāi)放向前邁出了一大步，我國(guó)工程教育質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了國(guó)際實(shí)質(zhì)等效，工程教育質(zhì)量保障體系得到了國(guó)際認(rèn)可，工程教育質(zhì)量達(dá)到了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)高等教育真正成為了國(guó)際規(guī)則的制定者，與美國(guó)、英國(guó)、加拿大、日本等高等教育發(fā)達(dá)國(guó)家平起平坐，實(shí)現(xiàn)從國(guó)際高等教育發(fā)展趨勢(shì)的跟隨者向領(lǐng)跑者轉(zhuǎn)變?！苯逃扛叩冉逃虒W(xué)評(píng)估中心主任吳巖表示，今后，我國(guó)將全面參與《華盛頓協(xié)議》的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則制定，在各項(xiàng)事務(wù)中發(fā)揮更加積極主動(dòng)的作用，工程教育認(rèn)證的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、方法和技術(shù)也將影響世界。

2016-04-24

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“力學(xué)性質(zhì)梯度變化地層中地鐵開(kāi)挖引起地表沉降的數(shù)值模擬研究”(編號(hào)：B2016566)。

葉 紅(1977-)，男，湖北咸寧人，武漢交通職業(yè)學(xué)院交通工程學(xué)院副教授，主要從事巖土工程研究。

10.3969/j.issn.1672-9846.2016.02.016

U452.1

A

1672-9846(2016)02-0072-05