基于单线隧道开挖工后沉降预测的研究

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1、基于单线隧道开挖工后沉降预测的研究摘要：隧道开挖前，土体在自重应力的作用达到应力平衡，隧道开挖时，由于开挖面土体的应力释放，必然打破原有的土体应力平衡，在新的应力场平衡过程中，土体颗粒位置发生改变，围岩产生变形，地表发生沉降，同时考虑到土体自身固结的作用，隧道开挖后在一个相当长的时间段会继续发生沉降。本文正是基于此，结合工程实例，采用数值模拟的方法对单线隧道开挖工后沉降进行计算，对了解隧道开挖工后沉降变化规律具有重要的现实意义。关键词：盾构；沉降；预测中图分类号：F272文献标识码：A1引言6目前，我国各大城市都在修建地铁，隧道开挖打破原有土体应力平衡下[1-3]，新的应力场中土体

2、颗粒位置发生改变，地表出现沉降，地表出现较大的沉降值时隧道更易于失稳坍塌，同时，考虑到土体随时间固结的效应累积[4-6]，工后沉降的变化规律也是目前工程界一直比较关心的问题。对于隧道开挖地表工后沉降预测，目前研究的方法也很多，没有一个统一的标准，比如借助施工现场的实测数据，结合神经网络理论进行工后沉降预测，也有利用边界元方法对工后沉降进行计算，本文主要结合工程实例，采用有限单元法对研究区隧道开挖工后沉降进行预测，这对于进一步了解隧道开挖后围岩的变形规律及沉降变化趋势具有重要的现实意义。2工程概况该市地铁二号线土建8区间设计全长1268.4m，隧道埋深28米，采用盾构法施工隧道。该地

3、区地质环境多为粉质粘土和淤泥土质。该市属于北温带半湿润的季风性气候，同时受海洋、大陆性气候控制。一年中降雨多集中在6～9月份，年平均降雨量为720毫米。一年平均气温为7～8℃，最高气温38.7℃,最低气温-33.1℃。3计算模型建立3.1本构模型选取土体具有明显的非线性特征，采用Mohr-Coulomb弹塑性模型对土体材料进行模拟中。Mohr-Coulomb屈服面函数为：（1-1）式中：是q-p应力面上Mohr-Coulomb屈服面的倾斜角，称为材料的摩擦角；c是材料的粘聚力；是控制屈服面在平面上的形状函数。图3.4给出了Mohr-Coulomb屈服面在子午面和平面上的形状，由图可

4、以比较其与Drucker-Prager屈服面，Tresca屈服面，Mises屈服面之间的对比关系。图1Mohr-Coulomb模型中的屈服面6由上图1可见，Mohr-Coulomb屈服面存在尖角，如采用相关的流动法则（即塑性势面与屈服面相同），将会在尖角处出现塑性流动方向不是唯一的现象，导致数值计算的烦琐、收敛缓慢。为了避免这些问题，ABAQUS采用了如下形式的连续光滑的椭圆面函数作为塑性势面，其形状如图3.6所示。图2Mohr-Coulomb模型中的塑性势面3.2模型参数选取根据Gun（1997）建议，整个模型长取100m，高取60m。计算中，对模型两侧水平方向进行约束，对模型底

5、边进行竖向约束。计算单元选择平面应变孔压单元，根据网格划分原则，对于应力变化比较集中的隧道开挖面洞口区域网格划分较密，而对于距离隧道开挖面较远的应力变化不是很明显的区域网格划分较粗超。同时，为了计算中便于收敛，开挖面洞口区域采用扫掠网格划分技术（sweep），而对于开挖面较远的区域采用结构化网格划分技术（structure）。隧道开挖计算主要是在静态分析步中完成。第一步，采用生死单元原理，杀死衬砌及注浆等代层单元，土体进行初始应力场平衡；第二步，对开挖面土体进行折减，折减量为460%；第三步，激活衬砌及注浆等代层单元；第四步，杀死开挖面土体单元，整个计算过程结束。由于土体材料的复杂

6、性，计算中需要做出以下假设：整个计算过程仅考虑在重力场作用下进行，并认为土体材料是各项同性的。计算所需参考数据如表1所示：表1计算所需参考数据4计算结果分析图3为隧道开挖后围岩变形云图。从图3可以看出：隧道开挖后，围岩变形主要集中在隧道开挖面洞口附近区域，且洞口上方形成一个沉降“槽”[7]，最大变形值位于隧道开挖面洞口拱底区域，最大变形值为40mm左右；洞口两侧围岩变形较洞口上下区域围岩变形小，且变形的值基本在15mm左右。图3隧道开挖后围岩变形云图图4隧道横向地表工后沉降预测变化曲线图图4是隧道横向地表工后沉降预测变化曲线图。从图4可以看出：隧道开挖后，横向地表影响区域为距离隧道

7、中线一侧0～18m，其中主沉降区为0～14m左右，占主沉降的78%，最大沉降值位于隧道开挖面正上方地表，最大沉降值为4mm左右；隧道开挖100天后，横向地表影响的区域变化不大，主沉降区略微增加，隧道上方地表最大沉降值为5mm左右，工后沉降累计为1mm左右，累计沉降量较小，仅增加了25%。65结论本文结合工程实例，对隧道开挖工后沉降进行了预测，重在研究隧道开挖后100天内横向地表沉降变化规律，研究结果表明：隧道开挖后，地表最大沉降值为4mm，工后100天内累计的沉降值为