浅埋暗挖地铁隧道施工围岩的变形与隆起分析

谷振伟 丁海滨

摘 要：城市地铁隧道施工扰动了周围的围岩，必然会造成地层的变形，并且在不同的施工条件下变形量也不一样。浅埋隧道由于其上面的覆土厚度小，在受到较大的扰动如果没有做好防护措施可能会产生很大的沉降，造成严重的后果。本文主要是通过采用ABAQUS有限元软件，模拟地铁隧道开挖过程中土层的变形规律，主要是对地层的竖向位移、水平位移及围岩的隆起做了计算分析，并简述了应当采取的措施。

关 键 词：隧道、浅埋暗挖、地层沉降、围岩隆起

1 引言

地铁隧道在开挖过程中不可避免的会导致土体的扰动，为了能够有效的预防和减少由于隧道施工引起的地表沉降和变形产生的不良的影响，有必要对地层的变形规律进行研究。

城市地铁隧道在施工过程中地层变形发生的主要原因是施工过程中导致了地层的损失或者受剪切破坏的重塑土的在固结所造成的。隧道周围土体在弥补地层损失中，发生地层移动，从而引起地表沉降。还有一种情况是，在含水地层中进行隧道施工时可能会引起周围土体内部的空隙水压力变化，从而使地层发生排水固结沉降。所以在施工过程中禁止抽排地下水。

2 工程概况

青岛某地铁隧道采用暗挖法施工，地铁隧道的最小埋深只有6.2m，属于浅埋隧道。隧道的襯砌由初期支护和二次衬砌组成的复合式衬砌。隧道所处的围岩按Ⅲ～Ⅴ级围岩，隧道结构外侧的系统锚杆注浆厚度为4m。隧道的初期支护、临时初期支护和二次衬砌采用钢筋混凝土材料。

土层物理力学性质指标见表1。

3 建模分析

本文采用ABAQUS建模分析，隧道支护结构和围岩采用实体单元来进行建模分析；模型的尺寸根据开挖的影响范围取为：长 90m，宽 90m，高 50m。

计算模型的单元类型为三维8节点减缩积分实体单元（C3D8R）；衬砌结构的钢筋混凝土材料中没有对钢筋模拟，只是通过改变了材料弹性模量来考虑钢筋的存在；初期支护厚度取30cm，二次衬砌取60cm，在隧道仰拱处的二次衬砌设计时稍厚一点，但为了简化模型计算厚度也取60cm。模型计算的边界条件为：底面为固定约束，四个侧面设置法向的约束，上表面为自由面。

4 计算结果与分析

对于浅埋暗挖的地铁隧道的施工，位移的考虑主要是开挖后围岩岩体的竖向位移的大小，但也应适当地考虑水平位移的大小。本文对竖向位移与水平位移进行了计算与分析，同时对围岩的隆起做了简单的分析，并且在模拟的过程中考虑施工风道时两者的变化情况。

1、 竖向位移计算与分析

根据对隧道开挖过程的模拟得出图1的竖向位移与隆起的变化图示。

从图1可以看出，隧道刚开始开挖时，围岩的最大沉降值和最大隆起值增势都比较明显，在风道开挖的过程中两者基本处于持平的状态；当进行主体开挖时，围岩的沉降值和隆起值都开始迅速的增长。

2、 水平向位移计算与分析

根据对隧道开挖过程的模拟得出图2的竖向位移与隆起的变化图示。

由图7可知，隧道开始开挖时，围岩的最大水平收敛值增加的比较明显，在风道开挖的过程中基本保持持平状态；随着主体结构的开挖，水平的最大正位移在不断增加，最大负位移基本趋于于不变，净空最大收敛值也处于上升的趋势。

5 结 论

地铁隧道在刚开始开挖以及在开始主体结构开挖时围岩的竖向位移及横向位移和围岩的隆起都发生急剧的变化，围岩在此时容易受到扰动，甚至引起地面大范围沉降，因此在这两个阶段应做好相应的防护措施。

由于在开始进行主体结构开挖时围岩的位移和隆起变形会产生急剧的变化，所以在保证工作面稳定正常开挖的条件下，应尽量的保证或限制地下水的抽排。

6 参考文献

[1] 李永靖，张旭.浅埋暗挖法地铁施工引起地表沉降规律研究[J].广西科学学报：自然科学版，2013

[2] 姚明会，张子新.浅埋暗挖大跨度地铁隧道地表沉降分析[D].同济大学，2007

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