城市地铁施工沉降的数值模拟研究.pdf

书书书 第 ２ ５卷第 １期 ２ ０ １ ２年 ２月 四川理工学院学报（ 自然科学版） Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｉ ｃ ｈ ｕ ａ ｎＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ＆Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ （ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅＥ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ） Ｖ ｏ ｌ  ２ ５ Ｎ ｏ  １  Ｆ ｅ ｂ  ２ ０ １ ２ 收稿日期 ２ ０ １ １  １ １  ３ ０ 作者简介 刘洪海（ １ ９ ６ ５  ） ， 男， 重庆市人， 工程师， 主要从事岩土工程及测绘管理方面的研究， （ Ｅ  ｍ ａ ｉ ｌ ） ｌ ｉ ｕ ｈ ｏ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ １ ９ ６ ５ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ 文章编号 １ ６ ７ ３  １ ５ ４ ９ （ ２ ０ １ ２ ） ０ １  ０ ０ ８ ０  ０ ３ 城市地铁施工沉降的数值模拟研究 刘洪海，黄永红 （ 重庆市勘测院，重庆 ４ ０ ０ ０ ２ ０ ） 摘 要 地下工程施工， 会引起地层移动而导致不同程度的沉降和位移， 从而影响到隧道和地表建 筑物的正常使用和安全运营。以某一地铁施工为依托， 运用 Ｐ Ｌ Ａ Ｘ Ｉ Ｓ 有限元软件对施工进行动态开挖模 拟， 分析其沉降因素， 正确估计特定地区可能发生的地面变形沉降， 将模拟结果与现场监测的资料进行 了对比分析， 模拟结果可信度高。该研究对城市地铁隧道工程的设计与施工具有重要的指导意义。 关键词 城市地铁； 沉降； 数值模拟 中图分类号 Ｕ ２ ５文献标识码 Ａ 随着全球城市建设的飞速发展， 城市化进程加快， 城市人口高度集中， 生产和交通工具密集， 解决城市发 展过程中的交通问题乃是一大难题。为缓解地面交通 压力， 近几个世纪来， 许多国家大中城市纷纷兴起了大 规模建造地铁和轻轨的热潮， 开发地下空间。 地下工程施工， 会引起地层移动而导致不同程度的 沉降和位移， 由于施工技术及周围环境和岩土介质的复 杂性， 即使采用最先进的施工方法， 其施工引起的地层 移动也是不可能完全消除的。当地层移动和地表变形 超过一定的限度时就会造成地面沉陷、 基坑垮塌、 隧道 破坏、 周边建筑物损害、 地下管线损害等事故， 将会导致 严重经济损失并产生不良的社会影响， 从而影响到隧道 和地表建筑物的正常使用和安全运营。因此本文运用 有限元技术对施工进行动态模拟， 分析其沉降因素， 正 确估计特定地区可能发生的地面变形沉降， 进而选择最 佳的施工技术； 并将模拟结果与现场监测的资料进行对 比分析， 对城市地铁隧道工程的设计与施工具有重要的 指导意义。 １ 工程概况 南京地铁二号线一期工程区间设计为左右线分离 的单洞单线隧道， 左、 右线隧道长度均为 ４ ４ ０ ． １ ５ｍ 。区 间隧道从管家桥金鹰过街通道下侧穿过后与新街口站 相接。区间拱顶覆土厚８  ４ｍ～ １ ２  １ｍ，左右线线间距 １ ６  ２～ １ ７  ２ｍ 。区间与上海路站设计分界里程 Ｋ １ ３＋ ０ ６ ２  ５ ０ｍ ， 与新街口站设计分界里程 Ｋ １ ３＋ ５ ０ ２  ６ ５ｍ ， 区 间最大纵坡１ ２ ‰， 最小竖曲线半径３ ０ ０ ０ｍ 。区间隧道上 方管线密集， 主要有  ６ ０ ０给水管，  ４ ５ ０雨污水管，  ５ ０ ０ 煤气管及较多的电信电缆， １ １ ０Ｋ Ｖ电力电缆， １ ０Ｋ Ｖ电 力电缆， ３ ８ ０Ｖ路灯电缆等。 该区间跨长江Ⅰ级阶地和秦淮河河漫滩地貌单元， 勘探深度范围内， 地表浅部为近期杂填土、 素填土， 区间 东部具有新近沉积土； 下部主要为一般沉积的粉质粘土 和中粗砂混卵砾石； 基岩为白垩系“ 红层” ， 岩性为泥质 粉砂岩、 角砾砂岩、 粉砂质泥岩， 软硬相间， 属极软岩。 区间西段主要为粉质粘土， 东段为粉土、 淤泥质粘土和 粉质粘土。洞室围岩稳定性整体较差。其中粉质粘土 具弱膨胀潜势， 施工中应注意水对粉质粘土强度和变形 的不利影响。 ２ 地铁隧道的有限元模拟 ２  １ 隧道开挖过程有限元理论分析 隧道开挖过程的应力与变形的有限元分析不同于 其它的有限元分析理论。其主要表现在隧道开挖过程 中分析对象几何模型是随着开挖进度不断变化的， 且因 被开挖掉的土体在开挖前即有初始应力， 因而， 在开挖 掉的这部分土体后， 不仅分析对象的几何尺寸一直在变 化， 还有剩余部分的结构应力和变形也在变化。关键点 是运用有限元来模拟开挖不同阶段的特点， 进而使被开 挖的部分应力完全消失， 使其应力变成一个自由面。而 有限元分析可以很好地模拟隧道开挖这一过程， 因而是 一种很好的分析方法［ １  ３ ］。 ２  ２ Ｐ Ｌ Ａ Ｘ Ｉ Ｓ有限元分析介绍 Ｐ Ｌ Ａ Ｘ Ｉ Ｓ － ３ Ｄ－Ｔ Ｕ Ｎ Ｎ Ｅ Ｌ软件是 Ｐ Ｌ Ａ Ｘ Ｉ Ｓ软件模块 系列之一， Ｐ Ｌ Ａ Ｘ Ｉ Ｓ软件是在国外应用较为广泛， 而在因 国内引进较晚， 所以目前应用不是很多。Ｐ Ｌ Ａ Ｘ Ｉ Ｓ的始 于 １ ９ ８ ７年荷兰 Ｄ ｅ ｌ ｆ ｔ 大学开始开发的， 而 Ｐ Ｌ Ａ Ｘ Ｉ Ｓ－ ３ Ｄ － Ｔ Ｕ Ｎ Ｎ Ｅ Ｌ程序是目前唯一针对地下隧道工程而建立 的模块， 其也可以应用于相近的岩土工程的计算与分 析。Ｐ Ｌ Ａ Ｘ Ｉ Ｓ － ３ Ｄ－Ｔ Ｕ Ｎ Ｎ Ｅ Ｌ程序可以提供成千上万个 有限单元来更加精确地模拟岩土工程实体， 并对实际岩 土工程进行一系列计算与分析。本文将 Ｐ Ｌ Ａ Ｘ Ｉ Ｓ－ ３ Ｄ－ Ｔ Ｕ Ｎ Ｎ Ｅ Ｌ模块用来模拟动态地铁隧道开挖［ ４  ５ ］。 ２  ３ 有限元分析模型 在模拟隧道浅埋段时， 本次模拟隧道开挖 ２ ０ｍ ， 模 型共划分 ５ ８ ５ ０个单元（ 图 １ ） 。隧道围岩材料按均质弹 塑性考虑， 采用 Ｄ ｒ ｕ ｃ ｋ－ Ｐ ｒ ａ ｇ ｅ ｒ 屈服准则， 参数可由现场 监测数据资料反演得出（ 参数取值见表 １ ） ； 因初期支 护、 二次衬砌和锚杆力学特性远远好于围岩， 计算中可 将其看作弹性体， 参数则参考相关规范确定（ 参数取值 见表 ２ ） ； 喷射混凝土中钢拱架的作用采取等效方法来模 拟； 为了简便计算， 临时支护的锚杆作用直接采用其加 固效果增强加固区材料参数来模拟； 对于隧道拱顶部超 前注浆小导管， 其作用是在顶部形成加固层和起到“ 抬 梁” 的效果， 以阻止隧道顶部过大变形而造成局部坍塌， 可采用释放荷载的方法来模拟其作用； 为保证计算的准 确性， 模型尺寸为 隧道左右分别取 ４ ０ｍ ， 竖直向上取至 地表， 向下取 ６ ０ｍ ； 因隧道埋深较浅， 故计算时按自重应 力场考虑［ ６ ］。 图 １ 有限元分析模型 表 １ 隧道围岩材料力学参数 容重粘聚力内摩擦角弹性模量泊松比 ２ ７ ｋ Ｎ／ ｍ ３ ６ Ｍ Ｐ ａ３ ０ １ ０ ４Ｍ Ｐ ａ ０  ３ ５ 表 ２ 支护结构力学参数 名称容重弹性模量泊松比 衬砌２ ２ ｋ Ｎ／ ｍ ３ ２  ４ １ ０ ４Ｍ Ｐ ａ ０  ２ 锚杆７ ７ ｋ Ｎ／ ｍ ３ ２ １ １ ０ ４Ｍ Ｐ ａ ０  ３ ３ 计算结果分析 ３  １ 地表沉降分析 为保证施工期间及以后上部结构的安全运营， 需要 严格控制地表沉降。通过图 ２隧道开挖完成后地表沉 降曲线可以看出， 地表沉降关于双线隧道大致对称分 布， 呈 Ｗ形状； 其中在先行洞（ 左洞） 隧道拱顶正上方沉 降最大， 沉降量为 ５  ３ １ｍ ｍ ， 这是由于先行洞隧道开挖 后， 受到后续洞（ 右洞） 施工扰动所致， 与现场监测资料 数据规律一致； 后续洞拱顶正上方沉降为 ５  ２ １ｍ ｍ ， 在 中轴线附近沉降较两线隧道拱顶正上方处偏小， 沉降仅 为 ２  ８ ７ｍ ｍ ； 总体来说， 地表下沉能够保证上部结构安 全运营的前提下正常施工； 从图中还可以看出， 隧道开 挖对地表沉降的影响在距离中轴线 ３  ５倍洞径趋于稳 定， 这也说明本次模拟模型范围的选取是在误差范围之 内的。 图 ２ 地表沉降曲线图 ３  ２ 模拟结果与现场监测数据对比 现场监测主要是对数值试验结果的验证和评价， 限 于篇幅， 在此只做左右双线隧道拱顶沉降值的量测数据 和计算结果的对比。为便于比较， 将施工完成后双线隧 道起始开挖断面的拱顶沉降实测变化曲线和对应点上 的数值模拟结果绘于图 ３ ， 图 ４ 。 从图 ３ ， 图 ４可以看出， 从埋设量测元件监控数据开 始至模型段开挖结束， 其对应的左右线拱顶下沉变化曲 线规律与数值模拟计算结果的变化曲线规律基本一致。 先行洞拱顶下沉监测基点埋设于下一个循环开挖时段 （ 也即开挖步 １ ０ ） ， 监测沉降值最后稳定于 ５  ８ ２ｍ ｍ ， 而 数值模拟计算结果最终沉降稳定值为 ７  ３ ３ｍ ｍ ； 后续洞 １８第 ２ ５卷第 １期 刘洪海等 城市地铁施工沉降的数值模拟研究 图 ３ 先行洞拱顶沉降变化比较图 图 ４ 后续洞拱顶沉降变化比较图 拱顶监测元件埋设于后续洞开挖下一个循环时段（ 也即 开挖步 ６ ０ ） ， 监测值稳定在 ４  ９ ５ｍ ｍ ， 计算稳定值为 ６  １ ３ｍ ｍ ； 这是由于监测元件埋设时， 先前循环段的开挖 已经引起拱顶一定量值的下沉， 而下沉值无法准确量测 导致； 两者差值基本稳定， 也说明隧道三维弹塑性分析 结果是可信的； 其中先前开挖引起的下沉分别占拱顶总 沉降值的 ２ ０  ６ ％、 １ ９  ４ ％， 这比一般公式算出的开挖面 效应值要小， 是因为本文模型在开挖方向范围误差导致 选取的研究目标面未能真实反应隧道开挖引起的全部 位移变化所致； 综上所述隧道施工过程中在断面开挖后 应及时进行量测元件的埋设， 尽量减小由于时空效应带 来的影响。 ４ 结 论 （ １ ） 隧道地表的沉降分布是以双线中轴线为中线 的， 呈 Ｗ形状分布。沉降主要集中在距离中轴线三倍洞 径范围内。 （ ２ ） 在隧道周边围岩变形位移结果来看， 后行洞的 开挖对先行洞的地表沉降和隧道周边各点竖向位移影 响要远大于先行洞对后行洞的影响， 如何有效的控制施 工过程中的反复扰动是施工成败的关键。 参 考 文 献 于 宁朱合华盾构隧道施工地表变形分析与三维 有限元模拟岩土力学 朱泽兵刘新荣张永兴大跨度浅埋轻轨车站隧道 开挖方法研究岩石力学与工程学报  郝文洲偏压小净距隧道合理施工工序的探讨 铁道建筑 边 翔大跨度隧道施工方法数值模拟与动力响应 分析研究武汉武汉理工大学 王庆国庞旭卿何章义马蹄形隧道掏槽爆破三维 数值模拟四川理工学院学报自然科学版  樊 融张成江五指山隧道渗漏水连通试验分析 四川理工学院学报自然科学版 Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｏ ｎＮ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ Ｓ ｕ ｂ ｗ ａ ｙＣ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎＳ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ｌ Ｉ ＵＨ ｏ ｎ ｇ  ｈ ａ ｉ ，Ｈ Ｕ Ａ Ｎ ＧＹ ｏ ｎ ｇ  ｈ ｏ ｎ ｇ （ Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇＳ ｕ ｒ ｖ ｅ ｙＩ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ，Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ ４ ０ ０ ０ ２ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇｗ ｉ ｌ ｌ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｕ ｍｍ ｏ ｖ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ，ｗ 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