二維數(shù)值模擬對(duì)地表沉降的影響分析

范玥輝

（北京鐵路局，北京100860）

0 引言

在隧道施工引起的土層位移與變形中，最受關(guān)注的是地表和其它結(jié)構(gòu)物沉降變形的大小和分布。尤其是在城市環(huán)境中修建地鐵，往往周圍建筑物密集近接，地下管線縱橫交錯(cuò)，地鐵施工帶來(lái)的地表沉降塌陷、建（構(gòu)）筑物開裂傾斜、既有線變形及線路錯(cuò)位、地下管線斷裂滲漏等問(wèn)題日益增多。目前對(duì)地鐵施工的變形控制，普遍的做法是控制地表沉降30mm，地表隆起10mm。這種做法一般不夠經(jīng)濟(jì)合理，針對(duì)性不強(qiáng)，對(duì)于大直徑隧道變形控制指標(biāo)過(guò)于苛刻。因此，對(duì)于地鐵隧道，尤其是大跨度隧道，針對(duì)性地提出沉降控制指標(biāo)很有必要，而對(duì)沉降控制指標(biāo)進(jìn)行分類細(xì)化，不但更加安全合理，還能夠順應(yīng)綠色經(jīng)濟(jì)的環(huán)保理念。

本文通過(guò)對(duì)北京直徑線5種不同工法開挖的各種施工步序進(jìn)行二維動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬分析，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，印證了數(shù)值模擬方法中參數(shù)選取和建立模型的合理性。

1 數(shù)值模擬的實(shí)現(xiàn)

1.1 數(shù)值模擬區(qū)段選取

圖1是數(shù)值模擬區(qū)段中的一個(gè)橫斷面。

直徑線雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工段總長(zhǎng)度為285.8 m，本文選取了具有代表性的崇西大街4號(hào)地質(zhì)橫斷面（里程：DK0+995）：距離鄰近建筑物 5.36 m，距離既有地鐵2號(hào)線崇文門站西南出口僅4.17 m。此斷面內(nèi)有煤氣、電話、照明、自來(lái)水、電力、雨水、電信管線共九條，直徑線與既有建筑間有地面跟蹤注漿措施、直徑線與既有地鐵2號(hào)線間有隔離樁措施，鄰近建筑基礎(chǔ)下面設(shè)置有鉆孔灌注樁超前加固措施，隧道正洞設(shè)置有超前注漿導(dǎo)管、注漿鎖腳錨管、超前長(zhǎng)管注漿和超前注漿鋼管。

1.2 地層處理和參數(shù)初選

圖2是按直徑線DK0+850～DK1+000的地質(zhì)勘察報(bào)告資料繪制的。

從地勘報(bào)告中可以看出，崇西大街4號(hào)斷面包含了該工段內(nèi)的所有土層：雜填土、粉土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、卵石、粘土等。直徑線隧道數(shù)值模擬長(zhǎng)度為58.1 m。按常用的地層處理方式在DK0+995左右58.1 m范圍內(nèi)將地層界線取為平直。經(jīng)計(jì)算，按地勘報(bào)告中的地層和地層界線取為平直時(shí)兩者的差距很小。對(duì)于數(shù)值模擬中的參數(shù)，地勘報(bào)告中有的直接采用，沒有的按查閱文獻(xiàn)或軟件中建議的采用。參數(shù)初選中的一個(gè)重要參數(shù)是各土層的彈性模量，經(jīng)過(guò)多個(gè)算例，認(rèn)為取地勘報(bào)告中動(dòng)彈性模量的1/10～1/5，可以很快地模擬還原現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出的沉降變形曲線。

1.3 邊界問(wèn)題

左右兩側(cè)的計(jì)算邊界為隧道總跨度的3～5倍，下邊界為隧道總高的2倍以上，上邊界取至地面(淺埋隧道)或隧道總高的2倍（深埋隧道）。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，本文模型左側(cè)計(jì)算邊界取至距既有建筑左側(cè)外輪廓40 m的范圍，右側(cè)計(jì)算邊界取至距既有線右側(cè)外輪廓40 m的范圍，上邊界取至地面，下邊界取至地勘報(bào)告中最深的地層，隧道縱向長(zhǎng)度取58.1 m。內(nèi)存2G的計(jì)算機(jī)模型網(wǎng)格組控制在1 200～1 500個(gè)，施工階段控制在120～150個(gè)，如果數(shù)值模型達(dá)到上述限度，運(yùn)算要在內(nèi)存4G以上的計(jì)算機(jī)中運(yùn)行。

1.4 初始應(yīng)力問(wèn)題

在地層-結(jié)構(gòu)法的數(shù)值模擬分析中，其重點(diǎn)是確定圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)。一般情況下，不能完全模擬地層中的初始應(yīng)力狀態(tài)，而只能采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法，直徑線隧道在施工階段分析過(guò)程中通過(guò)自重進(jìn)行分析得到的應(yīng)力狀態(tài)設(shè)定為初始應(yīng)力狀態(tài)。而對(duì)于原始的水平應(yīng)力，GTS里通過(guò)方法或者自重分析的方法來(lái)算。

圖1 崇西大街4號(hào)橫斷面圖

圖2 某區(qū)段地質(zhì)圖

2 數(shù)值模擬處理

考慮到現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)配置條件，同時(shí)兼顧數(shù)值模擬需要和軟件運(yùn)行速度，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件和網(wǎng)格處理如下。

2.1 樁的處理

對(duì)房屋的樁基礎(chǔ)、洞樁法的樁、隔離樁和注漿灌注樁均按巖土實(shí)體來(lái)處理。

2.2 既有線出口的處理

將其簡(jiǎn)化為幾個(gè)臺(tái)階，雖與最初施作有所區(qū)別，但是接近于出口最終形成的臺(tái)階狀態(tài)。

2.3 超前注漿的處理

所有超前注漿，最終目的都是為了加固地層，改變土層局部的屬性。從這一點(diǎn)出發(fā)，按已有成果將超前注漿處理為1 m厚的等代層，合理確定其簡(jiǎn)化處理參數(shù)。

2.4 導(dǎo)洞開挖的處理

導(dǎo)洞開挖對(duì)沉降影響顯著的三個(gè)方面是導(dǎo)洞開挖步序、循環(huán)進(jìn)尺和錯(cuò)開距離。圖3為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法段采用導(dǎo)洞錯(cuò)開距離的示意圖。

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法示意圖

考慮到核心土對(duì)沉降控制的有利作用，導(dǎo)洞開挖時(shí)盡量先開挖兩側(cè)，保留中洞土層作為核心土柱。由此在9個(gè)基本模型下，建立了126個(gè)考慮上述土柱作用的數(shù)值模擬施工模型。實(shí)際中開挖試驗(yàn)段的循環(huán)進(jìn)尺為 0.5 m～0.75 m，正常開挖段為0.75 m～1.5 m，由于計(jì)算機(jī)內(nèi)存的限制，需要控制施工階段數(shù)量，所以模擬中循環(huán)進(jìn)尺控制為2.8 m～5.0 m，導(dǎo)洞錯(cuò)開距離為5.6 m～10 m，這與實(shí)際工程中采用的有差距，但是這對(duì)控制沉降是有利的。

2.5 模筑二襯施作的處理

數(shù)值模擬中，為了簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)二襯的施作，間隔的板數(shù)是固定的，這與實(shí)際中的不符，但是與實(shí)際中每次施作幾板是一致的，也就是同時(shí)施作二襯一板或者兩板。

2.6 初支施作的處理

對(duì)于平面模型，初支可采用結(jié)構(gòu)線單元植入式桁架或梁，也可以采用巖土平面應(yīng)變單元。采用植入式桁架單元時(shí)，至少要保證初支一側(cè)有土層或巖土單元，否則運(yùn)算會(huì)很不容易收斂，而且運(yùn)行時(shí)間很長(zhǎng)。最好平面模型不要采用植入式桁架單元，比如說(shuō)采用梁?jiǎn)卧?，運(yùn)算會(huì)很容易收斂，而且運(yùn)算速度是采用植入式桁架單元的十倍以上。對(duì)于空間模型，初支一般采用結(jié)構(gòu)板單元，也可以采用巖土實(shí)體單元。初支若采用巖土實(shí)體單元，需要考慮與二襯的節(jié)點(diǎn)耦合，還需要考慮網(wǎng)格劃分不能與周邊網(wǎng)格大小不能相差太多。

3 模擬結(jié)果分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬分類分析，研究了各施工工法各施工工序?qū)Φ孛娉两怠⒍错敵两?、既有建筑沉降、既有線沉降、地下管線沉降的影響，得出以下結(jié)論：

（1）計(jì)算結(jié)果表明，數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，各種工法的模擬基于的圍巖狀態(tài)一致，有其可比性的基礎(chǔ)，提出優(yōu)化方案是合理的。

（2）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、洞樁法、CRD法、CD法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法以及臺(tái)階法等工法引起的變形大小和趨勢(shì)基本符合隧道開挖理論，細(xì)化分類分析中存在的差異在于隧道開挖的“洞群效應(yīng)”引起的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)以及采取各種應(yīng)急輔助措施對(duì)沉降的控制。

（3）對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、洞樁法、CRD法、CD法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法以及臺(tái)階法的分類分析優(yōu)化方案，以及相應(yīng)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

控制地面沉降、洞頂沉降、鄰近既有建筑物沉降、既有線沉降變形最優(yōu)方案為洞樁法，沉降值控制分別在40 mm、45 mm、10 mm、1 mm。（見圖4～圖13）

圖4 地面沉降曲線圖

圖5 洞頂沉降曲線圖

圖6 建筑物沉降曲線圖

圖7 既有線沉降曲線圖

圖8 電力管線沉降曲線圖

圖9 自來(lái)水管線沉降曲線圖

圖10 電信管線沉降曲線圖

圖11 雨水管線沉降曲線圖

圖12 電話管線沉降曲線圖

圖13 煤氣管線沉降曲線圖

綜合以上二維數(shù)值模擬分析，洞樁法可以作為最優(yōu)方案。如果再對(duì)正洞作臺(tái)階法挖土，留取核心土，合理確定鋼支撐的施加和撤除時(shí)機(jī)及其預(yù)應(yīng)力的大小，可以把地面沉降值控制在30 mm內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

直徑線隧道在實(shí)際施工中，采取的地表控制指標(biāo)為30 mm，施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示該段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 實(shí)測(cè)數(shù)值表

本文選取的控制點(diǎn)位置均為最大的變形量，控制數(shù)值均在數(shù)值分析的控制指標(biāo)范圍之內(nèi)，證明通過(guò)數(shù)值分析提出的隧道變形控制指標(biāo)是正確的也是合理的，采用數(shù)值模擬過(guò)程中對(duì)數(shù)值模擬的處理也是正確的，通過(guò)模擬證明洞樁法是控制地表沉降最有利的工法。

通過(guò)采用理論分析、數(shù)值模擬并結(jié)合直徑線實(shí)際工程對(duì)直徑線施工工法的優(yōu)選進(jìn)行了研究，提出了適用于不同地段的施工方法。工程實(shí)踐證明，研究提出的結(jié)論合理、正確。

目前對(duì)地下近接施工來(lái)的研究，無(wú)論是經(jīng)驗(yàn)公式法，還是理論分析法，抑或是目前常用的數(shù)值模擬分析法，都還僅僅考慮了近接施工的空間和平面位置關(guān)系，施工工法和施工步序以及其他施工技術(shù)措施的簡(jiǎn)化加固作用，但最終都沒有將施工與時(shí)間關(guān)系絕對(duì)對(duì)應(yīng)起來(lái)。而隧道開挖過(guò)程中之所以引起地表沉降和地層移動(dòng)，是因?yàn)槭┕ら_挖與支護(hù)加固之間存在時(shí)間間隔，讓圍巖有了重分布二次或多次應(yīng)力的時(shí)間。如果能將時(shí)間因素也考慮進(jìn)去，對(duì)變形的研究和施工的指導(dǎo)將更加精確和具有針對(duì)性。

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