地下軟土異質(zhì)性對公路隧道地表沉降的影響分析

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土壤的穩(wěn)定性；同時，無機(jī)淤泥層的黏性和流動性可能導(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。

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時表示應(yīng)力在屈服平面內(nèi)部，當(dāng)F＞0時表示應(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，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，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，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，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，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，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，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，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，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是一個關(guān)鍵參數(shù)，表示土體在受到側(cè)向土壓力作用時的變形特性。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，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，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。

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。

［1］張曉妮.高速公路隧道中地表沉降監(jiān)測及有限元分析［J］.湖南交通科技，2006，32（3）：154-156.

［2］周煥云，黃曉明.高速公路軟土地基沉降預(yù)測方法綜述［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2002（4）：7-10.

［3］馬達(dá)君.軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道施工引起地表沉降的理論與數(shù)值研究［D］.杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2010.

［4］葛春蘭.地下水位下降引起地面沉降的分析［J］.內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2012（4）：36-37.

［5］張吉宏.古土壤地層盾構(gòu)施工引起的地表沉降分析［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2013（1）：82-87.

［6］王" 煒，吉帥科，李懷濱，等.土壓平衡盾構(gòu)渣土超排量與土壓力及地表沉降相關(guān)性研究［J］.市政技術(shù)，2022（2）：97-101.

［7］肖桃李.高速公路軟土地基沉降分析及工后沉降預(yù)測［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

［8］李東風(fēng).頂管隧道施工引起地表沉降的有限元法分析［D］.濟(jì)南：安徽理工大學(xué)，2015.

［9］董" 昕.土壓平衡盾構(gòu)施工引起地表橫向不均勻沉降的因素分析［D］.西安：長安大學(xué)，2016.

［10］劉伯成，包" 昊，姚方正，等.基于隨機(jī)場理論的隧道開挖對附近建筑物的不均勻沉降及地表變形的影響分析［J］.河南科學(xué)，2020，38（8）：1 258-1 263.

［11］陳啟功.既有樁基對軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道施工引起地表沉降影響的研究［D］.杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2018.

20240512