摘"要：為研究深厚軟土地區(qū)隧道開挖變形特性，文章依托廣西某地鐵盾構(gòu)隧道實(shí)際工程，利用FLAC 3D有限元軟件建立數(shù)值模型，分析了不同開挖階段的隧道地表軸線變化特征，以及不同軟弱下臥層厚度對(duì)隧道變形及地表沉降的影響，研究得出：隧道開挖到監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，地表沉降迅速增大，當(dāng)開挖面超過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，注漿漿液硬化導(dǎo)致的地層上浮，使地表沉降減小，待地層長(zhǎng)期沉降穩(wěn)定后，地表沉降相較于開挖時(shí)有所增大；隨著隧道開挖，隧道軸線地表沉降最大位置不斷向前推移，開挖面后方由于同步注漿出現(xiàn)一定的隆起變形，待地層長(zhǎng)期沉降穩(wěn)定后，隧道軸線不同位置的地表沉降基本一致；隨著軟弱下臥層厚度的增大，地表沉降減小，隧道上浮位移增大。參考文獻(xiàn)：

關(guān)鍵詞：軟土地層；隧道開挖；地表沉降；FLAC 3D有限元軟件

中圖分類號(hào)：U456.3+1

0 引言

我國(guó)國(guó)土面積廣闊，地形地貌和工程地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)隧道建設(shè)易產(chǎn)生不利影響，如在我國(guó)東部地區(qū)分布有大面積的深厚軟土地層，軟土具有強(qiáng)度低、含水率高、壓縮性高等不良工程特性，大量工程實(shí)踐表明，在此類地層修建隧道常面臨大變形和滲水問(wèn)題，因此研究軟土地區(qū)隧道的開挖穩(wěn)定性及加固措施對(duì)隧道的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)有著重要參考意義。

目前對(duì)軟土地區(qū)隧道開挖穩(wěn)定性及加固措施的研究已有較多成果。曹洋等［1］利用FLAC 3D軟件建立軟土地層淺埋盾構(gòu)隧道精細(xì)化數(shù)值模型，模擬了開挖過(guò)程對(duì)不同施工因素對(duì)地層的擾動(dòng)效果。蘇玥等［2］依托上海市某地鐵隧道工程，采用“上海軟土”本構(gòu)模型，建立有限元精細(xì)化模型，模擬軟土地層暗挖法隧道施工過(guò)程中地層的應(yīng)力與變形規(guī)律。楊杰［3］分別依托紹興市和溫州市的地鐵盾構(gòu)隧道工程，利用Midas GTS NX和PLAXIS軟件建立數(shù)值模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了軟土地區(qū)隧道開挖地表沉降變化規(guī)律。李永輝［4］依托西安至安康高速鐵路某隧道段，利用Midas軟件建立三維數(shù)值模型，研究了襯砌混凝土強(qiáng)度和襯砌厚度對(duì)隧道開挖過(guò)程中初期支護(hù)的支護(hù)效果。黃昌富等［5］依托珠海橫琴杧洲隧道工程，利用PLAXIS軟件建立三維有限元數(shù)值模型，模擬隧道開挖過(guò)程中對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固，研究了加固范圍對(duì)軟土淺埋超大直徑盾構(gòu)隧道施工對(duì)地表沉降的影響。牟公羽等［6］依托上海市某地鐵隧道注漿治理案例，利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型，通過(guò)虛擬膨脹應(yīng)力法對(duì)注漿加固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示了注漿過(guò)程中超孔隙水壓力消散機(jī)理及隧道變形機(jī)理。宋棋龍等［7］依托珠海橫琴杧洲隧道實(shí)際工程，建立三維有限元數(shù)值模型，研究了注漿加固范圍對(duì)隧道開挖面破壞形式及地表沉降的影響。

本文依托廣西某地鐵盾構(gòu)隧道實(shí)際工程，利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算，分析了不同開挖階段的隧道地表軸線變化特征，并研究了不同軟弱下臥層厚度對(duì)隧道變形及地表沉降的影響，以期為軟土地區(qū)隧道的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程背景與數(shù)值建模

1.1 工程概況

本文依托廣西某地鐵盾構(gòu)隧道實(shí)際工程，隧址區(qū)地勢(shì)較為平坦，地層分布自上而下分別為雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土；地下水發(fā)育，主要類型為第四紀(jì)松散巖類孔隙潛水和孔隙承壓水。研究區(qū)域內(nèi)隧道長(zhǎng)度為1 274 m，隧道埋深在12～16 m，屬淺埋隧道，盾構(gòu)隧道斷面穿越深厚的淤泥質(zhì)黏土地層?？辈旖Y(jié)果表明，淤泥質(zhì)黏土的壓縮模量為3.0 MPa，含水率為43.2%，具有土質(zhì)均勻、高壓縮性、高含水率、低透水率的不良工程特性。

1.2 數(shù)值模型的建立

本文利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算，研究深厚軟土地層隧道變形特性及長(zhǎng)期沉降影響因素。數(shù)值模型依據(jù)隧道實(shí)際斷面建立，地層自上而下為雜填土（厚度為5.0 m）、淤泥質(zhì)黏土（厚度為20.0 m）、粉質(zhì)黏土（厚度為15.0 m）。為減小邊界效應(yīng)導(dǎo)致的計(jì)算誤差，選取數(shù)值模型尺寸為120 m×60 m×40 m（長(zhǎng)×寬×高），隧道埋深為15 m，采用等效梁模型對(duì)隧道進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)混凝土參數(shù)進(jìn)行折減來(lái)抵消盾構(gòu)管片的接縫和螺栓對(duì)隧道剛度的劣化作用，隧道外徑為7.0 m，內(nèi)徑為6.3 m，數(shù)值模型如下頁(yè)圖1所示。

模型邊界條件如下：

（1）幾何邊界：模型頂面邊界為自由邊界，底面邊界施加水平和豎直方向的約束，側(cè)面邊界施加垂直側(cè)面的約束。

（2）水力邊界：模型頂面邊界為自由排水邊界，底面邊界和側(cè)面邊界均為定水頭邊界，地表處水壓力為0，距地表深度為h處的水壓力為γwh。巖土體的本構(gòu)模型采用“摩爾-庫(kù)侖”模型，巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。注漿漿液和襯砌的本構(gòu)模型選用線彈性模型，注漿壓力為280 kPa，注漿填充率為200%，襯砌層采用C50混凝土，由于模型未考慮管片的接縫和螺栓，因此在取襯砌力學(xué)參數(shù)時(shí)對(duì)其彈性模型進(jìn)行20%的折減，模擬管片接縫和螺栓對(duì)襯砌的剛度劣化，注漿層和襯砌的參數(shù)取值如表2所示。

隧道施工過(guò)程模擬方法為：每個(gè)施工步為1.2 m，共需開挖100步。在預(yù)計(jì)開挖位置前的掌子面處添加掌子面支護(hù)力，掌子面支護(hù)力為對(duì)應(yīng)土層深度的主動(dòng)土壓力，同時(shí)將開挖土體的本構(gòu)模型更改為“1”，模擬土體開挖，并在開挖位置后方激活襯砌和注漿層，模擬開挖后支護(hù)，其中注漿壓力采用均布力進(jìn)行模擬，隧道開挖過(guò)程如圖2所示。

列車荷載通過(guò)擬靜力法進(jìn)行模擬，采取經(jīng)驗(yàn)公式σdl=0.26p（1+0.004v）進(jìn)行計(jì)算，其中p為車輛靜軸重，取200 kN，列車速度取100 km/h，對(duì)應(yīng)的列車荷載為73 kPa。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2.1 數(shù)值模擬可靠性分析

為驗(yàn)證數(shù)值模型及計(jì)算結(jié)果的可靠性，提取現(xiàn)場(chǎng)隧道開挖面前30 m的隧道斷面對(duì)應(yīng)地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與數(shù)值模擬中的地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。參考文獻(xiàn)：

由圖3可知，數(shù)值模擬得到的隧道開挖過(guò)程中斷面的橫向沉降槽為一標(biāo)準(zhǔn)的“倒鐘形”曲線，即隧道兩側(cè)的地表沉降較小，隨著距隧道中軸線距離的減小，地表沉降值逐漸增大，在隧道中軸線位置，即隧道拱頂位置對(duì)應(yīng)的地表沉降值達(dá)到最大，為10.92 mm。而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)雖也大致呈現(xiàn)隧道兩側(cè)的地表沉降小、中部地表沉降大的趨勢(shì)，但地表沉降最大值并未在隧道中軸線位置出現(xiàn)，而是在隧道中軸線右側(cè)3.0 m的位置出現(xiàn)，為10.26 mm。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的地表沉降曲線距離標(biāo)準(zhǔn)的“倒鐘形”曲線仍有較大差距，分析其原因?yàn)椋簲?shù)值模型中假定巖土體是均質(zhì)的，且為便于計(jì)算，對(duì)實(shí)際的工程地質(zhì)條件進(jìn)行了一定簡(jiǎn)化，工程實(shí)際中的巖土體更為復(fù)雜，導(dǎo)致工程中的數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值有一定偏差。另外，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的最大地表沉降偏離隧道中軸線的最大可能性為隧道開挖過(guò)程中盾構(gòu)姿態(tài)控制不良。綜上，雖然數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有一定差距，但整體規(guī)律具有一致性，且數(shù)值計(jì)算得到的地表沉降最大值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)之間的偏差＜10%，說(shuō)明該數(shù)值模型在分析軟土地層隧道開挖過(guò)程中的變形和地表沉降具有一定的參考價(jià)值，數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有可靠性。

2.2 地表沉降計(jì)算結(jié)果分析

選取隧道縱向的中間斷面，即Y=60 m的斷面為監(jiān)測(cè)斷面，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，得到不同開挖階段地表沉降曲線如圖4所示，其中圖4（a）是監(jiān)測(cè)斷面位置對(duì)應(yīng)的地表沉降曲線，圖4（b）是隧道軸線位置對(duì)應(yīng)的地表沉降曲線。

由圖4（a）可知，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)未開挖到監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面處的地表沉降較小。當(dāng)開挖至Y=30 m時(shí)，開挖面距監(jiān)測(cè)斷面的距離為30 m，此時(shí)監(jiān)測(cè)斷面地表沉降曲線近似為一條直線，說(shuō)明此時(shí)開挖引起的隧道變形對(duì)監(jiān)測(cè)斷面幾乎無(wú)影響。當(dāng)開挖至Y=45 m時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面地表沉降曲線已經(jīng)呈現(xiàn)兩側(cè)小、中部大的特征，沉降槽開始形成，最大地表沉降出現(xiàn)在隧道中軸線位置，為-2.72 mm。當(dāng)開挖至Y=60 m時(shí)，地表沉降迅速增大，沉降槽形成，最大地表沉降達(dá)到-14.2 mm。當(dāng)開挖至Y=90 m時(shí)，盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)斷面，此時(shí)沉降槽形態(tài)未發(fā)生變化，但地表沉降出現(xiàn)一定幅度的減小，最大地表沉降達(dá)到-10.92 mm，這是因?yàn)樽{后漿液硬化導(dǎo)致的地層上浮。待開挖后地層長(zhǎng)期沉降穩(wěn)定后，沉降槽形態(tài)仍保持不變，但地表沉降相較于開挖時(shí)有所增大，最大地表沉降達(dá)到-13.59 mm，這是由于軟土的固結(jié)沉降導(dǎo)致的。由圖4（b）可知，盾構(gòu)機(jī)開挖斷面前方位置為此時(shí)隧道軸線地表沉降最大的位置，隨著盾構(gòu)機(jī)向前開挖，隧道軸線上地表的最大沉降位置向前不斷推移，且隧道開挖至不同位置，隧道軸線地表沉降最大值均在14～16 mm小幅變化，而盾構(gòu)機(jī)開挖斷面后方一定范圍的位置會(huì)出現(xiàn)地層隆起變形，這是因?yàn)樗淼篱_挖后同步進(jìn)行注漿導(dǎo)致的，待隧道開挖完成地層長(zhǎng)期沉降穩(wěn)定后，隧道軸線不同位置的地表沉降基本一致。

2.3 軟弱下臥層厚度對(duì)隧道變形的影響

該地鐵隧道全斷面均穿越深厚的淤泥質(zhì)黏土層，淤泥質(zhì)黏土與下伏粉質(zhì)黏土相比，具有更高的壓縮性和含水率、更長(zhǎng)的固結(jié)時(shí)間，淤泥質(zhì)黏土地層作為支撐該地鐵隧道的直接載體，地層厚度對(duì)隧道和地表的沉降具有較大影響。軟弱下臥層厚度是指隧道拱底下方淤泥質(zhì)黏土的厚度，設(shè)置軟弱下臥層厚度為6.0 m、8.0 m、10.0 m和12.0 m 四種工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究軟弱下臥層厚度對(duì)隧道沉降的影響，得到不同軟弱下臥層厚度下隧道開挖完成后監(jiān)測(cè)斷面處隧道軸線位置地表和隧道拱頂?shù)某两登€，如圖5和圖6所示。

由圖5可知，開挖完成后的地表沉降和固結(jié)穩(wěn)定后的最終地表沉降均隨著軟弱下臥層厚度的增大而不斷減小，固結(jié)沉降隨軟弱下臥層厚度變化較小。當(dāng)軟弱下臥層厚度分別為6.0 m、8.0 m、10.0 m和12.0 m時(shí)，開挖完成后的地表沉降值分別為18.08 mm、17.23 mm、16.10 mm和14.99 mm，固結(jié)穩(wěn)定后的最終地表沉降分別為24.00 mm、23.10 mm、21.92 mm和20.73 mm，固結(jié)沉降分別為5.92 mm、5.87 mm、5.82 mm和5.74 mm。

由圖6可知，隧道拱頂位移方向向上，說(shuō)明隧道出現(xiàn)“上浮”現(xiàn)象，隨著軟弱下臥層厚度的增大，隧道拱頂位移不斷增大，當(dāng)軟弱下臥層厚度分別為6.0 m、8.0 m、10.0 m和12.0 m時(shí)，開挖完成后的拱頂位移值分別為6.65 "mm、9.64 mm、11.87 mm和14.53 mm，固結(jié)穩(wěn)定后的最終拱頂位移值分別為4.05 mm、7.02 mm、9.24 mm和11.88 mm，拱頂固結(jié)期位移分別為-2.6 mm、-2.62 mm、-2.63 mm和-2.65 mm。

綜上，軟弱下臥層厚度對(duì)開挖完成后的隧道變形及地表沉降和固結(jié)穩(wěn)定后的最終隧道變形及地表沉降影響較大，對(duì)固結(jié)期土體固結(jié)變形的影響較小。隨著軟弱下臥層厚度的增大，地表沉降減小，隧道上浮位移增大。

3 軟土地層隧道變形控制措施

（1）地層巖土體特性和地下水對(duì)土體的長(zhǎng)期沉降有較大影響，在隧道勘察設(shè)計(jì)階段，應(yīng)該查清隧道研究區(qū)域的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，建立完善的監(jiān)測(cè)體系，監(jiān)測(cè)隧道施工及運(yùn)營(yíng)期間的土體位移及滲流場(chǎng)特性。

（2）隧道的施工質(zhì)量對(duì)隧道開挖過(guò)程中的隧道變形和地表沉降具有較大影響，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，土體固結(jié)變形相較于隧道初始變形和地表初始沉降，其數(shù)值很小，因此控制施工質(zhì)量、減小隧道開挖對(duì)周圍土體的擾動(dòng)，以及減小隧道初始變形和地表初始沉降，是控制隧道長(zhǎng)期變形的關(guān)鍵。

（3）隧道軟弱下臥層對(duì)隧道變形有較大影響，工程實(shí)際的地層分布并非如數(shù)值計(jì)算中假定的地層厚度不變且土體均勻一致，穿越不同軟弱下臥層厚度區(qū)域時(shí)，其過(guò)渡段會(huì)產(chǎn)生差異沉降，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)安全性下降，應(yīng)對(duì)此類區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)加固。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)未開挖到監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面處的地表沉降較小，當(dāng)開挖到監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，地表沉降迅速增大，當(dāng)開挖面超過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，由于注漿后漿液硬化導(dǎo)致的地層上浮，地表沉降出現(xiàn)一定程度減小，待開挖后地層長(zhǎng)期沉降穩(wěn)定后，沉降槽形態(tài)保持不變，由于軟土的固結(jié)沉降導(dǎo)致地表沉降相較于開挖時(shí)有所增大。

（2）隨著盾構(gòu)機(jī)向前開挖，隧道軸線地表沉降最大的位置也在不斷向前推移，開挖斷面后方一定范圍的位置由于隧道開挖后同步注漿出現(xiàn)一定的地層隆起變形，待隧道開挖完成，地層長(zhǎng)期沉降穩(wěn)定后，隧道軸線不同位置的地表沉降基本一致。

（3）軟弱下臥層厚度對(duì)開挖完成后的隧道變形及地表沉降和固結(jié)穩(wěn)定后的最終隧道變形及地表沉降影響較大，對(duì)固結(jié)期土體固結(jié)變形的影響較小。隨著軟弱下臥層厚度的增大，地表沉降減小，隧道上浮位移增大。

參考文獻(xiàn)：

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