宋松
重庆市工程管理有限公司 重庆江北 400023
摘要：以某市轨道交通为背景，采用现场监测与数值模拟相结合的方法，对黄土地区轨道交通暗挖隧道施工引起的地表变形特征进行了系统的分析与研究，并探讨了3种不同支护方案下地表的沉降规律。结果表明：地表沉降监测数据与数值模拟的结果基本一致，验证了MIDAS/GTS-NX模拟隧道暗挖施工对地表沉降预测的可靠性；在安全范围内，考虑工程建设的经济性，通过对3种支护方案的对比分析，采取初支后拱肩注浆的支护方案，既节约成本，又满足地表沉降监测控制值的要求。
关键词：轨道交通；隧道；地表沉降；支护；数值模拟；监测；优化
1工程概况
1.1工程地质概况
某市轨道交通1号线拱焦区间地貌单元属黄河二级阶地，场地西高东低，根据工程勘察资料显示，拟建工程场地在勘探深度45.0m范围内，地层从上到下依次为：杂填土，湿陷性黄土，饱和黄土，砂、卵石层，下伏白垩系砂、泥岩地层。卵石中富含第四系潜水，渗水性强，白垩系砂、泥岩成岩性较差，原生裂隙及节理较为发育，且具有膨胀性，工程需考虑防渗漏问题和围岩的膨胀性问题，其技术处理难度大，且工程造价较高。拱焦区间地层稳定连续，无地质构造及其他不良地质作用。地下水位埋深14.5～17.8m，高水位按现水位提高2.0m考虑，拟建场地抗震设防烈度为8度，经分析场地内黄土属非液化土。湿陷性土层分布深度为8.5m左右，区间隧道底板埋深16.0～20.5m，因此，在此区间长度范围内隧道开挖不受湿陷性黄土的影响，可不作处理。
1.2施工监测标准
拱焦区间沿东岗东路布设，线路南侧多为6～7层的办公楼和小高层。东岗东路交通量较大，隧道施工期间车辆正常通行，必须严格控制地表沉降，要做到勤量测，以便及时发现问题采取相应措施。参考有关规范，综合考虑该市地区地质条件和设计资料，确定工程监测等级为二级，地表沉降监测控制值为35mm。
2现场监测及地表沉降分析
通过对拱焦区间现场勘察资料统计分析，各个断面的地质情况基本类似，所以本文取拱焦区间的DK32+317断面进行地表最终沉降值分析研究。其中监测点按断面里程编号，每个断面布设17个测点，从左到右依次为1～17。1）地表的最大沉降量为25.59mm，小于地表沉降监测目标控制值，满足要求。2）根据研究表明：双线隧道间距＜2.0D（D为单线隧道宽度）时，地表沉降模式为“单凹槽状”，间距＞2.0D时，则为“双凹槽状”；本断面两隧道间的距离为16m＜2.0D（D为8.4m），沉降槽整体形状为“单凹槽状”，但由于隧道间距已经接近2D，局部已经向“双凹槽状”过渡。3）由于先开挖隧道（左线）对围岩的扰动作用，使得后开挖隧道（右线）所引起的地表沉降值大于先开挖隧道所引起的地表沉降值。
3三维数值模拟
本文采用有限元软件MIDAS/GTS-NX进行建模与计算，讨论隧道开挖引起的变形特征。
3.1计算假定与本构方程
1）初始地应力场只考虑土体产生的自重应力，所选土体为均质、连续、各向同性；围岩及混凝土均不考虑体积膨胀。模型中围岩采用实体单元；为简化模型，初期支护只考虑超前支护加固区，钢拱架和喷射混凝土的共同作用，采用板单元模拟。2）考虑到实际施工中为了消除左、右线隧道开挖的相互影响，对左、右线隧道进行了分段施工。根据统计分析，左、右线开挖面相对位置主要在20～40m这一区段范围，此处将数值模拟工况选择为左、右线开挖面相对位置为30m，即左线超前右线30m。3）采用上、下台阶法开挖，断面开挖支护过程如下：①小导管超前支护；②开挖断面的初始状态；③上台阶开挖及初期支护；④下台阶开挖及初期支护；⑤二衬支护（生效）。4）为了尽可能还原施工过程中地表沉降过程，本模型依照实际工况建立，采用Mohr-Coulomb准则。
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3.2计算模型及材料参数
根据圣维南原理，计算模型考虑区间内的土体性状，计算模型横断面尺寸34m×80m，纵向取70m。上边界为地表，地表至下边界取34m，隧道拱顶至地表9m。地表为自由边界，底面为竖向约束，前、后、左、右面均采用法向约束。
4计算结果分析
4.1数值模拟结果与实测值对比分析
1）数值模拟曲线与实测数据曲线变化规律基本相同，所以MIDAS/GTS-NX能够较真实地反映隧道开挖过程中隧道位移的变化。2）沉降槽中心稳定在平行双线隧道的中部靠右侧位置。3）数值计算比现场实测地表沉降值要小，可能与未考虑时间因素有关，图中两者的差值大约为开挖过程中地下水位下降引起的失水固结沉降增量。4）实测最大位移值为25.59mm，模拟最大位移值为22.60mm，在距离隧道中线－3.9m处误差最大，为3.49mm。
4.2施工方案优化
4.2.1无临时仰拱时的地表位移
模拟计算结果表明：无临时仰拱地表监测点的最大沉降值为32.63mm，比施作临时仰拱时沉降值增大了44.38%。虽然隧道模拟沉降值仍在35mm以内，但离地表沉降监测控制值已经较近，为使隧道有足够的安全储备，此支护方案不建议在后期施工中使用。
4.2.2初支后拱肩注浆时的地表位移
采用初支后拱肩注浆的方案，可对初支背后的空洞进行填实，同时也对拱肩部位的围岩进行了加固，对控制地表和拱顶沉降以及洞内收敛有非常明显的效果。利用有限元软件中的修改单元属性命令，分别对注浆范围内的围岩实体单元进行修改，然后通过激活命令施加到各施工阶段。模拟计算结果表明：初支后拱肩注浆时地表监测点的最大沉降值为27.72mm，沉降值增大了22.65%。此时，模拟沉降值与地表沉降监测控制值较远，结构具有较大的安全储备，此方案建议在后期施工中使用，以达到节约资源、降低工程造价、缩短工期的目的。
4.3不同支护方式地表沉降模拟对比
针对城市轨道交通暗挖隧道施工引起的地表沉降与变形，在安全范围内，探讨并提出一种有效的支护方案，可节约成本、缩短工期。通过对3种支护方案比较，施作临时仰拱对控制地表沉降的效果最好，可将地表最大沉降值控制在25.59mm，但施工工法转换频繁、施工技术复杂、工期较长、造价也较高；其次是采取初支后拱肩注浆的支护方案，可将地表最大沉降值控制在27.72mm，此方案既有效地控制了地表沉降，也保证了安全、加快了工程进度、降低了成本。
5结语
本文针对黄土地区近距离双线隧道施工，利用MIDAS/GTS-NX数值模拟软件，对3种不同的隧道支护方案进行对比分析，选择较优施工方案；模拟对比时由于未考虑时间影响因素，数值模拟结果比现场实测地表沉降值要小。通过模拟对比分析，得出以下结论与建议。1）通过分析对比，数值模拟结果与现场实测的结果基本一致，验证了MIDAS/GTS-NX模拟隧道开挖过程的可行性，可用此软件预测地表沉降以及通过数值模拟选取较优施工方案，以指导后期施工。2）考虑工程建设的经济性，在安全范围内，采用初支后拱肩注浆的支护方案，在提高工程机械利用率、缩短工期、降低工程成本方面具有较为明显的优越性。3）由于该地区轨道交通建设起步较晚，在此方面的研究成果较少。建议系统研究该地区各类地层条件在隧道开挖时的沉降规律，为后续轨道交通修建提供更加合理的设计与施工方案。
参考文献：
[1]张顶立，李倩倩，房倩，等．隧道施工影响下城市复杂地层的变形机制及预测方法［J］．岩石力学与工程学报，2014，33（12）：2504-2516．
[2]黄昌富，田书广，王艳辉，等．盾构侧穿不同形式基础建筑物的沉降影响研究［J］．施工技术，2017，46（1）：74-79．
论文作者:宋松
论文发表刊物:《防护工程》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/6
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