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1、不同开挖步骤引起浅埋隧道地表沉降的数值分析摘要:地铁施工扰动地层，必然造成相应的地层变形。结合沿海地区软土地区浅埋暗挖矩形隧道施工，使用有限元软件对分部开挖进行非线性数值模拟，分析矩形隧道初期支护在开挖过程中的地表沉降变形。分析结果表明，浅埋软土矩形大跨隧道在开挖过程中，群洞效应的作用和施工方案有密切关系，在此基础上提出了控制地层变形的技术措施，在天津地铁1期工程施工中得到了充分的利用并且取得了良好的效果。关键词:浅埋隧道;软弱围岩;开挖;地表沉降;数值模拟1引言浅埋暗挖法是在新奥法原理的基础上，针对城市地下工程的特点而发展8起来
2、的。城市浅埋地下工程的特点主要是:覆土薄、地质条件差(多是未固结的土砂、粘性土、粉细砂等)、自稳能力差、承载力小、变形快，特别是初期增长快，稍有不慎极易产生坍塌或出现过大的下沉。天津地区位于海河下游，其土质为软土。软土的特性为:天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土，应判定为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等，其压缩系数宜大于0.5MPa-1;不排水抗剪强度小于30kPa。矩形大跨隧道在开挖过程中应该避免“群洞效应”的作用，由于隧道施工过程和开挖顺序的不同都会引起各自不同的应力和应变的非线性历程，最终导致
3、不同的力学效应，因此不同的开挖过程导致“群洞效应”作用的大小不同，隧道施工必须采用合理的开挖工序避免“群洞效应”，以保证隧道施工安全。浅埋暗挖隧道开挖时，地层岩体内原有的天然应力场将重新分布以达到新的平衡状态。这时，隧道两侧壁产生减压区，压应力消失，隧道围岩聚集的弹性能将被释放出来，造成围岩被压碎并向开挖空间内突出。同时，隧道拱顶、底部产生减压区，压应力被拉应力所代替，从而引起围岩被破坏，造成地下洞室附近地层移动与变形。82工程概况天津地铁营口道车站1号风机房位于城市主交通干道的下面，矩形断面，开挖宽度14.74m，开挖高度6.4
4、m，最小埋深为1.82.0m，分5跨10部开挖，结构如图1所示。2.1工程地质情况风机房主通道围岩主耍为粉质粘土、粉土、粘土、淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土组成。其参数见表1,岩体整体稳定性很差，地下水位高，施工采取价108大管棚超前支护，并利用小导管注浆来对土体进行预加固和堵水。2.2模拟方案沿隧道断面自上而下分成2层，每层高度为3.2m，其分部如图1所示，本文就“左右为主”和“上下开挖为主”两种开挖顺序进行分析比较，方案1先上后下，开挖顺序为1,6,2,7,3,8,4,9,5,10;方案2左右开挖，其开挖顺序为:1,2,3,4,5
5、,6,7,8,9,10。为更好的模拟施工，开挖前一部之前，要对随即开挖的部分进行加固，如方案1中，开挖第1部时，就对第6部进行加固。计算网络划分图如图2所示，该模型有1978个节点，924个单元。83计算结果分析按照上述两种方案，通过数值模拟计算得到各个开挖步骤的沉降槽曲线对比及隧道中线地表点沉降，如图3所示。基于土体本构模型为非线性模型，地表沉降曲线的变化是一个非线性不可逆的过程，由图3可以看出，不同的施工方案地表沉降曲线是不一样的。从图3a~g可以看出，方案1由隧道开挖引起的地表沉降曲线，在施工初期沉降量大，而且影响范围小，曲
6、线呈现出与peck曲线较为一致的形状;而方案2,由于开挖深度不增加，开挖宽度在不断增加，所以其沉降量比方案1小，但是其影响范围比方案1要宽。由图3可以看出，方案1中隧道开挖引起的地表变化，其变化量较方案2大，影响范围较方案1窄。从图3a~e8可以看出，方案2，由于下部隧道的开挖，使得地表沉降曲线呈现出多峰，即地表沉降曲线有2个峰值，这是由于底部隧道开挖时“群洞效应”作用明显，每开挖一部，都要对隧道上部的地表变形产生很大的影响，地表沉降加速。由图3f~g可以看出，方案2引起的地表沉降曲线出现偏移，出现在最后一部开挖侧，而且其累计沉降
7、量要比方案1大的多，其非线性表征的形状与左右对称的peck曲线不相符，因此peck曲线是作为有限误差的预测方法。由图3g可以看出，方案1引起的地表沉降累计沉降量小、影响范围窄，而方案2引起的地表沉降量大，且影响范围宽，而且其开挖过程中曲线呈现多峰状，大的沉降量和沉降宽度不利于保护隧道上方环境，施工中应该避免此种情况的发生。图3还可以看出，无论方案1还是方案2，都在距离隧道两侧一定区域内存在地表隆起现象，与大量工程实践相符合。由表2和图4可以看出，方案一引起的地表沉降最大为36.16mm，本方案单部最大沉降量为4.76mm;方案2引
8、起地表沉降量累计达到56.66mm，本方案单部开挖引起的沉降量最大为17.988mm。对于方案2如此大的沉降量对隧道初期支护、隧道上方的建筑物、管线将产生重要的影响，施工中应该采取跟踪注浆等相关措施确保隧道初期支护和上方的建筑物、管线的安全。由图4
