文章采用數(shù)值分析方法，建立了隧道土體本構(gòu)有限元模型，分析了不同地質(zhì)特性下公路隧道表面沉降行為。結(jié)果表明：地下水位變化和側(cè)向土壓力對地表沉降均存在不同程度的影響，高地下水位可能導(dǎo)致更大的地表沉降；側(cè)向土壓力通過改變土壤的初始狀態(tài)和結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤變形和沉降；不同土壤類型對地表沉降的影響不同，黏土最大，且由于土壤的不均勻性和非均質(zhì)性會導(dǎo)致沉降不均勻分布。分析結(jié)果可為具有不同地質(zhì)特性的隧道設(shè)計(jì)提供參考。

公路隧道；地下軟土；地表沉降

U456.3A451584

作者簡介：

黎曉明（1985—），工程師，研究方向：路基、路面、橋梁、隧道。

0" 引言

公路隧道作為現(xiàn)代交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在連接城市中扮演著關(guān)鍵的角色，不僅提高了交通效率，而且也促進(jìn)了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展［1］。部分公路隧道位于軟土地帶，且近年來這類隧道的建設(shè)數(shù)量持續(xù)增加，然而，地下軟土的開挖在隧道施工和維護(hù)過程中可能引發(fā)地表沉降。這一現(xiàn)象不僅對道路安全和周邊環(huán)境構(gòu)成潛在威脅，還可能導(dǎo)致交通擁堵問題，并增加社會成本。因此，了解地下軟土開挖對公路隧道地表沉降的影響至關(guān)重要［2］。

已有研究表明，地下軟土在隧道施工中引發(fā)地表沉降問題是一個(gè)備受關(guān)注的課題［3］。這些研究的重點(diǎn)主要集中在地下隧道施工和周邊環(huán)境之間的相互作用，以及這些相互作用如何影響地表沉降。在此領(lǐng)域，一些先前的研究已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了地下水位［4］、土壤類型［5］和側(cè)向土壓力［6］等因素對地表沉降的重要性。盡管已經(jīng)有一些研究探討了這些因素的影響，但往往基于不同地質(zhì)條件和隧道設(shè)計(jì)，因此難以將其直接應(yīng)用于特定地區(qū)的隧道工程。此外，對于我國西北部某地區(qū)這一特定地理環(huán)境的地下軟土異質(zhì)性引發(fā)地表沉降的詳細(xì)研究尚顯不足。

因此，本文旨在填補(bǔ)這一研究領(lǐng)域的空白，以我國西北部某地區(qū)公路隧道為研究對象，通過有限元建模和數(shù)值分析，探討地下水位變化、土壤種類和側(cè)向土壓力對地表沉降的影響，旨在提供一個(gè)更具地域特色的分析，以便為該地區(qū)的公路隧道工程提供有力的參考和指導(dǎo)。

1" 軟土地質(zhì)結(jié)構(gòu)

本文選取我國西北部某公路隧道的一部分作為研究區(qū)域。這個(gè)隧道位于黏土和無機(jī)淤泥層混合的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，其施工需要綜合考慮土壤的力學(xué)特性和地下水位，以最小化對周邊環(huán)境和交通的影響［7］。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)，隧道區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要包括人工填土層、黏土砂層和無機(jī)淤泥層，如圖1所示為隧道結(jié)構(gòu)簡圖。這些地質(zhì)特征都會對隧道施工和地表沉降產(chǎn)生影響。例如，黏土砂層的含水量和壓縮性質(zhì)可能影響隧道挖掘時(shí)土壤的穩(wěn)定性；同時(shí)，無機(jī)淤泥層的黏性和流動(dòng)性可能導(dǎo)致隧道施工過程中的土體變形。這些因素的綜合考慮將有助于制定合適的施工策略，以減小地表沉降的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

在該隧道項(xiàng)目的研究區(qū)域，水文地質(zhì)情況具有顯著影響，特別是地下水位的深度和變化。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，地下水位位于地表以下約4 m處，這意味著隧道的挖掘和施工會涉及到地下水的管理。需要特別注意的是，該地區(qū)的地下水位可能會在不同季節(jié)或氣象條件下發(fā)生變化，這可能會對施工進(jìn)度和地表沉降產(chǎn)生不同的影響，特別是隧道位于含有淤泥和壤土混合物土壤結(jié)構(gòu)中。此外，地下水的流動(dòng)方向和速度可以影響地下水位的維持以及隧道施工期間可能出現(xiàn)的涌水問題。因此地下水位等因素需要在工程設(shè)計(jì)和施工中得到充分考慮，以確保隧道施工期間的水文地質(zhì)穩(wěn)定。土壤層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

如式（1）所示為Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則函數(shù)，根據(jù)公式可知當(dāng)F=0表示應(yīng)力處于屈服平面上，當(dāng)F＜0時(shí)表示應(yīng)力在屈服平面內(nèi)部，當(dāng)F＞0時(shí)表示應(yīng)力在屈服平面外部［8］，可將其應(yīng)用于彈性-粘塑性模型中。以上參數(shù)決定軟土的穩(wěn)定性，也為隧道施工和地表沉降的分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

F=σnsin－K213sinωσsin+cosωσ+αcos（1）

式中：ωσ——應(yīng)力洛德角；

K2——不變第二偏應(yīng)力量；

σn——平均正面應(yīng)力；

α——材料粘聚力；

φ——內(nèi)摩擦角。

2" 土體本構(gòu)有限元建模

有限元建模是一種廣泛用于分析工程結(jié)構(gòu)和土體相互作用的數(shù)值方法。在研究地下軟土開挖對公路隧道地表沉降的影響時(shí)，有限元分析是一種關(guān)鍵的工具。以下是有限元建模的主要步驟：

地下軟土異質(zhì)性對公路隧道地表沉降的影響分析/黎曉明

（1）建立地下隧道幾何模型：需要準(zhǔn)確地描述隧道的幾何特征，包括隧道的長度、寬度、深度以及與周邊土壤的交界情況。準(zhǔn)確的幾何模型對于后續(xù)的分析至關(guān)重要，直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（2）離散化土體：土體層的離散化是將地下結(jié)構(gòu)分割成有限元網(wǎng)格的過程。不同類型的土體，如淤泥、壤土、礫石等，需要分別建立適當(dāng)?shù)谋緲?gòu)模型。這些模型描述了土體的力學(xué)行為，合適的有限元單元和材料參數(shù)的選擇決定了模擬的準(zhǔn)確性。

（3）加載邊界條件：邊界條件是有限元分析中的關(guān)鍵元素，其模擬了外部因素對結(jié)構(gòu)的影響。模型應(yīng)考慮到地下水位、地表荷載以及施工間隙等邊界條件。施工間隙應(yīng)用彈性有限元法進(jìn)行模擬，式（2）為其經(jīng)驗(yàn)公式［9］。

s（x）=2×0.627×R×gH×（0.956－H/24+0.3g）×exp－x230（6－5/H）×（2－g）（2）

式中：g——施工間隙；

H——隧道中心埋深；

R——隧道半徑。

（4）施工模擬：這一步模擬了隧道的實(shí)際施工過程，在有限元模型中模擬開挖過程，包括開挖機(jī)械的施工方法和時(shí)間序列。用于觀察隧道施工對地下軟土的影響，主要包括地表沉降。

（5）驗(yàn)證模型：驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可信度非常重要。這里通過將模擬結(jié)果與實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。

為了分析軟土層不同參數(shù)對地表沉降的影響，采用有限元方法，使用商業(yè)軟件和代碼來模擬隧道進(jìn)行建模和數(shù)值分析。在模型中，將隧道挖掘部分視為剛性體，并通過挖掘區(qū)域和隧道襯砌之間的膨脹和收縮變化以模擬其之間的間隙。挖掘隧道直徑為6.9 m，隧道位于地面以下12 m。如圖2所示是隧道模型的網(wǎng)格劃分，其尺寸為38 m寬、30 m高和68 m長。在有限元模型中網(wǎng)格的密度和精細(xì)程度對于準(zhǔn)確模擬土壤變形和地表沉降非常重要，本文將模型網(wǎng)格劃分39 860個(gè)，且更細(xì)密的網(wǎng)格密度并不會對仿真結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。

在有限元建模完成后，還需驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和有效性。為了評估和提高有限元模型的可信度，對模擬結(jié)果與在建設(shè)公路隧道期間收集的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)相符，最大誤差≤8%，平均處于5%，具有較高的匹配度。這證實(shí)了模型的準(zhǔn)確性和可用性，為后面的數(shù)值分析提供了模型基礎(chǔ)。

3" 隧道地表沉降數(shù)值分析

在地下工程中，地表沉降是一個(gè)重要的工程問題，其受多種因素的影響。本節(jié)將分別討論地下水位、土壤結(jié)構(gòu)特性和側(cè)向土壓力等參數(shù)對地表沉降的影響，研究結(jié)果有助于確定不同參數(shù)與地面沉降之間的相互作用機(jī)制。

3.1" 地下水位對地表沉降的影響

地下水位的變化是一個(gè)關(guān)鍵因素，對地表沉降具有顯著的影響。當(dāng)隧道施工過程中地下水位降低，土壤會失去部分的水分支撐，導(dǎo)致土體沉降。相反，當(dāng)?shù)叵滤簧邥r(shí)，土壤會吸收更多水分，土體會膨脹，也會引發(fā)地表沉降。因此，需要深入研究地下水位的變化對地表沉降的具體影響機(jī)制，以便在實(shí)際工程中采取相應(yīng)的措施來管理地下水位。

為了全面了解地下水位對地表沉降的影響，依托之前建立的有限元模型進(jìn)行分析和模擬。在研究過程中，選取了四個(gè)不同深度的地下水位，分別為4 m、8 m、12 m和16 m，以探究其對地表情況的潛在影響。經(jīng)過仿真試驗(yàn)，得到具體數(shù)據(jù)，然后根據(jù)模型的計(jì)算結(jié)果，在隧道不同位置進(jìn)行收集。結(jié)果如下頁圖3所示。圖3表達(dá)了地表沉降在不同地下水位條件下的變化趨勢。

從圖3可以看出，不同地下水位都會引起地表的垂直位移。隨著水位的下降，地表的沉降增加。當(dāng)水位低于地表4 m時(shí)，研究結(jié)果顯示地表的沉降≤9.8 mm。當(dāng)?shù)叵滤晃挥谒淼赖撞繒r(shí)，地表的沉降高達(dá)15.2 mm。由此可知，地下水位的變化對地表沉降具有顯著影響，當(dāng)水位逐步靠近隧道時(shí)，地表沉降距離逐步增大，且沉降增加的速度也越快。這是由于當(dāng)?shù)叵滤簧邥r(shí)，地下土壤的孔隙水壓力增加，降低了土壤顆粒之間的接觸力，導(dǎo)致土壤有效應(yīng)力減小，減小的有效應(yīng)力可能導(dǎo)致土壤體積膨脹，沉降減小且速度減緩。當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r(shí)，孔隙水壓力會減小，土壤的有效應(yīng)力會增加，這可能導(dǎo)致土壤體積收縮，從而引發(fā)地表沉降或沉降速度增加。

3.2" 側(cè)向土壓力對地表沉降的影響

土壤的應(yīng)力狀態(tài)和變形特性在地下工程中發(fā)揮著重要作用，側(cè)向土壓力就是其中另一個(gè)重要因素，指的是隧道周圍土體對隧道壁施加的側(cè)向力。在隧道開挖過程中，土體的移位和沉降會導(dǎo)致側(cè)向土壓力的變化，當(dāng)側(cè)向土壓力增大或減小時(shí)，會影響土壤的有效應(yīng)力和變形行為，這可能會對地表沉降產(chǎn)生影響［10］。因此，需要深入研究側(cè)向土壓力與地表沉降之間的關(guān)系，制定適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施和工程設(shè)計(jì)，以減小側(cè)向土壓力對地表沉降的負(fù)面影響。

模型考慮了四種不同側(cè)向土壓力水平，同時(shí)保持了相同的地下水位和土壤類型。這種試驗(yàn)方法可以觀察側(cè)向土壓力變化對地表沉降的具體效應(yīng)。通過在模型上施加不同數(shù)值的土壓系數(shù)k表示不同側(cè)向土壓力來模擬地表的沉降效果，結(jié)果如圖4所示。

土壓系數(shù)k是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，表示土體在受到側(cè)向土壓力作用時(shí)的變形特性。在第一組數(shù)據(jù)中，土壓系數(shù)k設(shè)為0.4，這意味著土體較硬，不太容易變形。結(jié)果顯示，當(dāng)施加較小的側(cè)向土壓力時(shí)，地表發(fā)生了5.8 mm的沉降。這表明在相對硬的土壤中，即使施加較小的側(cè)向土壓力，仍會導(dǎo)致一定程度的地表沉降。另外，隨著施加更大的側(cè)向土壓力，地表沉降值逐漸減小，這意味著更大的側(cè)向土壓力會引起更小的地表沉降。這種趨勢可能是由于土壤在受到更大的側(cè)向壓力時(shí)，會經(jīng)歷較小的變形，因此地表沉降較小。

需要注意的是，側(cè)向土壓力對地表沉降的影響受到多個(gè)因素的綜合影響，包括土壤類型、土壓系數(shù)、土層深度等。因此，在實(shí)際工程中，需要進(jìn)行綜合的數(shù)值分析和模擬，以更準(zhǔn)確地預(yù)測和管理地表沉降問題。

3.3" 土壤類型對地表沉降的影響

不同類型的土壤表現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)特性，如土壤的彈性模量、泊松比和抗剪強(qiáng)度等，這些不同的結(jié)構(gòu)特性會對地表沉降也具有重要影響。不同類型的土壤在受到地下開挖影響后，會表現(xiàn)出不同的變形和沉降特性。例如，黏土和砂土在受到相同作用力時(shí)可能表現(xiàn)出不同的反應(yīng)。因此，在設(shè)計(jì)和施工階段，需要對具體地區(qū)的土壤類型進(jìn)行詳細(xì)的分析，以了解不同土壤類型對地表沉降的敏感性，從而采取合適的工程措施來減輕沉降問題。不同土壤結(jié)物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

為了闡明土壤類型對由地表沉降的影響，通過改變?nèi)绫?所示四種不同土壤類型特性參數(shù)以模擬不同的土壤類型。如圖5所示為不同類型土壤所引起的地表沉降曲線。

從圖5可以看出，不同類型土壤的地表沉降影響不同。其中黏土所引起的地表沉降值比其他類型的土壤更寬更深，變化更為顯著，最大處達(dá)到了9.8 mm。這是因?yàn)轲ね辆哂懈吆?、低滲透性和較高的壓實(shí)性和可塑性特征，也就意味著對外部應(yīng)力的變化或荷載的增加極為敏感，也使黏土在更大程度上發(fā)生壓實(shí)和變形，從而引發(fā)沉降。

此外，黏土土壤通常也表現(xiàn)出較長時(shí)間的持續(xù)變形行為，這意味著其在承受應(yīng)力或水分變化后可能會繼續(xù)發(fā)生變形和沉降。另外，需要注意土壤的非均勻性可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定和不均勻沉降，最終導(dǎo)致地表變形［11］。因此在地下工程中需要特別注意這些土壤類型可能引發(fā)的地表沉降問題，應(yīng)進(jìn)行詳盡的土壤調(diào)查和工程分析，以更好地了解土壤類型、特性和行為，從而采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣頊p輕地表沉降風(fēng)險(xiǎn)。

4" 結(jié)語

本文以我國西北部某地區(qū)公路隧道為研究對象，通過有限元建模和數(shù)值分析，探討地下水位變化、土壤種類和側(cè)向土壓力對地表沉降的影響。分析認(rèn)為，在地下軟土隧道工程中，應(yīng)當(dāng)綜合考慮地下水位、土壤類型和側(cè)向土壓力的影響，以更好地評估和預(yù)測地表沉降的趨勢，通過適當(dāng)?shù)牡叵滤豢刂?、土壤結(jié)構(gòu)特性分析和側(cè)向土壓力管理，采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施，降低土壤的變形和沉降，減少潛在的不利影響。

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20240512