地铁隧道开挖引起地表沉降规律的有限元分析

地铁隧道开挖引起地表沉降规律的有限元分析

袁方贵州毕节551700）（贵州工程应用技术学院土木建筑工程学院，选取合适的开挖步，模拟隧道开挖这一动态过程对地摘要：本文通过有限元数值分析方法建立地铁隧道施工的三维模型，表沉降规律的影响。研究结果表明，地表横向沉降规律呈反正态分布的曲线形式，地表在线路中心处产生最大沉降，并随着距线路中心的距离增大逐渐减小；在接近隧道开挖的范围内，受隧道开挖的影响较大，在远离隧道开挖的范围时，受隧道开挖影响较沿着隧道的纵向，当开挖远离该断面时，对该断面地表的小；地铁隧道开挖接近某一断面时，对该断面地表的沉降影响逐渐增大，沉降影响逐渐减小。有限元分析关键词：地铁隧道开挖；地表沉降规律；中图分类号院[U25]文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2020冤07-0097-021概述随着大量目前，城市轨道交通在各大城市中得到快速的发展，地铁隧道工程的建设，对其临近地表和建构筑物造成很大的破坏。地铁隧道施工将引起周围地层应力和位移场产生变化，使周围土从而引起地表发生大范体发生压缩、剪切、变形、松弛等复杂变化，倾斜及倒塌，因此研究围不均匀沉降，致使周围建筑物发生开裂、地铁隧道开挖引起的地表沉降规律具有重要的现实意义。根据地表沉降实测数据，Maros[1]首次提出隧道开挖所引起的地表沉降符合高斯正态分布。其后，Peck[2]等学者相继证明了隧道开挖所引起的地段绍伟[3]在表沉降也符合高斯正态分布，并给出了相应的计算公式。隧道施工中结合现场地表下沉实测数据，对Peck公式进行修正，得到适用于相应实际工程的隧道开挖引起的地表沉降计算公式。分析了不同的隧道施徐干成[4]结合实际工程，采用数值模拟的手段，工方式、地质条件、支护情况的变化对地表沉降的影响。但大多数研究多集中在隧道开挖引起的地表横向沉降规律的研究，对于隧道开挖过程中，地表随着隧道开挖步推进的纵向动态沉降规律研究较少。因此本文通过有限元数值分析方法建立地铁隧道施工的三维模型，选取合适的开挖步，模拟隧道开挖这一动态过程对地表沉降规律的影响。2有限元分析模型建立2.1工程概况本文以某地铁2号线某区间段作为研究对象，此区间段的地层参数和衬砌支护参数如表1所示；地铁隧道位于砾质粘性土内，开挖半径为3.2m，埋深为20m，如图1所示。2.2三维计算模型作出如为便于有限元模型的建立，本文在已有研究的基础上，下基本假定：（1）假定土体为均匀、各向同性的弹塑性体，土体塑性屈服满足D-P材料模型的VonMises屈服准则；（2）假定地表和土（3）层均为水平层状分布，不考虑相邻土层之间的凹凸情况；有限元为了消除模型边界建模时不考虑地下水的影响。在有限元建模时，约束条件的影响，取有限元模型的长边长为隧道开挖直径的8倍，下边界取至短边长为隧道开挖直径的6倍，上边界取至地表表面，距离隧道底部向下3倍隧道开挖直径处；根据隧道开挖半径取三取维有限元模型的长度为48m，宽度为48m；根据隧道的实际位置，强风化土以上的三层土体作为研究对象，三维有限元模型的高度取为43m，隧道埋深根据实际工况取为20m。三维有限元模型的边界约束条件根据土体实际扰动情况进行设置，对土体下边界进行设置为自由边界条件；考虑到隧竖向位移约束；上边界为地表面，道在施工过程中土体仅在自重作用下产生竖向位移，故对有限元模型左右边界施加水平位移约束。表1地层参数和衬砌支护参数[5]素填土

砾质粘性土

强风化中等风化弱风化

图1地层立面图[5]图2中间断面图图3隧道开挖示意图2.3土体及衬砌支护的模拟土体的弹塑性本构采用本文采用8节点实体单元来模拟土体，再通D-P材料模型，土体参数选取见表1，根据实际分层情况选取，过D-P材料模型的等效应力计算公式进行换算得到相应的参数。衬砌支护采用4节点壳单元来模拟，不考虑衬砌支护在正常使用过程中进入塑性阶段，建模时将其视为线弹性模型，支护参数选取见表1。（1993-）地下建筑结构。作者简介院袁方，男，工学硕士，工程师，研究方向为钢结构、-98-科学技术创新2020.07

2.4地铁隧道开挖模拟在模拟隧道开挖前，需采取对土体进行地应力平衡的方式来消除土体在自重荷载作用下产生的固结变形；ABAQUS模拟地应力的平衡有多种，由于本文研究隧道上部没有其他结构，因此采用ABAQUS自动地应力平衡的方法来模拟地应力平衡，从而达到消除土体前期固结变形的效果。有限元模拟隧道施工过程的本本质是相关单元体刚度及荷载的迁移和恢复，文采用生死单元法来模拟隧道每一个开挖步图4地表沉降模拟值图5不同断面随隧道开挖推进的沉降值的推进过程。隧道开挖步的长度取为2m，由于有限元模型沿着隧道开挖方向的长度为48m，中间断面图故分为24步对隧道进行模拟开挖，及隧道开挖示意图如图2、图3所示。3地表沉降的数值计算结果分析3.1横向地表沉降的分析沿着隧道纵向开挖方向，取中间断面作为目标断面，以未发生沉降时的地表为0点，地表向下产生沉在隧道开挖完成后向上隆起为正，降为负。提取目标断面在隧道所有开挖步完成图7第24个开挖步完后地表沉降云图后的地表沉降规律如图4所示。从图中可以看图6第12个开挖步完后地表沉降云图地开挖步完成后的地表沉降云图可知，随着地铁隧道开挖步向前推出，隧道开挖完成后的地表沉降规律呈反正态分布的曲线形式，随着开挖推进，在起始开挖断面上方，地表先形成一个沉降槽，表最大沉降值为22.5mm，在线路中心处产生，并随着距线路中心的进，最终在距离线路中心25m左右的沉降槽逐渐扩大，最终在隧道所有开挖步完成后趋于稳定（图距离增大，地表沉降值逐渐减小，。地表沉降曲线的6-7）位置减小为零；从图中沉降曲线的斜率可以看出，4结论斜率随着远离线路中心逐渐减小，地表沉降曲线的斜率在距离线通过有限元数值本文以某地铁2号线某区间段作为研究对象，路中心0m到5m的范围内相比于在距离线路中心5m到25m的范围内较大，说明地表沉降在距离线路中心0m到5m的范围内受分析方法模拟了隧道开挖对地表沉降规律的影响，得出如下的结地表在接近隧道开挖的论：隧道开挖的影响较大；故可得到如下结论：4.1地表横向沉降规律呈反正态分布的曲线形式，地表在线路在远离隧道开挖的范围时，受隧范围内，受隧道开挖的影响较大，中心处产生最大沉降，并随着距线路中心的距离增大而逐渐减小。（如图4-5）道开挖影响较小。在远离隧地表在接近隧道开挖的范围内，受隧道开挖的影响较大，3.2纵向地表沉降的分析受隧道开挖影响较小。得到起道开挖的范围时，本研究在模拟隧道开挖时分为24步对隧道进行开挖，对该断面4.2沿着隧道的纵向，地铁隧道开挖接近某一断面时，始开挖断面、中间目标断面和最终断面的线路中心点的沉降值随对该断面地表的当开挖远离该断面时，着隧道开挖步推进的变化规律如图5所示。从图中可以看出，三个地表的沉降影响逐渐增大，对该断面地表的沉且在开挖推进到该断面时，不同断面线路中心点的沉降值均随着隧道开挖步的推进而增大，沉降影响逐渐减小，在隧道24个开挖步完成后，三个断面线路中心的沉降值达到最降影响最大。在起始开挖断面上方，地表4.3随着地铁隧道开挖步向前推进，三个不大，其值约为22.5mm。从沉降曲线斜率变化趋势可以看出，并随着开挖推进，沉降槽逐渐扩大，最终在隧同断面线路中心点随隧道开挖推进的沉降曲线斜率变化趋势各有先形成一个沉降槽，不同，最终断面线路中心点沉降曲线的斜率随着隧道开挖步的推道所有开挖步完成后趋于稳定。参考文献进而增大；目标断面线路中心点沉降曲线的斜率随着隧道开挖步的推进先增大后减小，且斜率的最大值位于隧道第12开挖步完成[1]MartosF.Concerninganapproximateequationofthe后；起始断面线路中心点沉降曲线的斜率随着隧道开挖步的推进subsidencetroughanditstimefactors[J].InInternationalstata而减小；说明地铁隧道开挖接近某一断面时，对该断面地表的沉降controlcongress,Leipzig,1958:191-205.

对该断面地表的沉降影响逐[2]PeckRB.Deepexcavationsandtunnellinginsoftground[J].影响逐渐增大，当开挖远离该断面时，渐减小，且在开挖推进到该断面时，对该断面地表的沉降影响最Proc.int.conf.onSmfe,1969:225-290.

大。选取隧道第12个开挖步完成后及隧道第24个开挖步完成后[3]段绍伟,黄磊,鲍灶成等.修正的Peck公式在长沙地铁隧道施从图6可以看出，的地表沉降云图如图6、图7所示。随着隧道开挖工地表沉降预测中的应用[J].自然灾害学报,2015(1):1-169.

步向前推进，隧道上方的土体会发生沉降，下方的土体会发生隆[4]徐干成,李成学,王后裕等.地铁盾构隧道下穿京津城际高速铁下沉值和隆路影响分析[J].岩土力学,2009,30(s2):269-272.起，在横向断面上，随着距隧道线路中心距离的增大，起值均逐渐减小；地表最大沉降值发生在第一个开挖步的正上方，[5]严涛.地铁隧道开挖引起的地表沉降及地铁运行引起的环境振西南交通大学,2010.沿着隧道开挖步推进的方向，地表沉降值逐渐减小。对比图中不同动研究[D].成都：