[摘要]基于某地鐵隧道工程，采用有限元分析法，對復雜環境下暗挖隧道穿越富水砂層的地表沉降進行了研究。結果表明，隧道開挖縱向中軸線地表沉降表明，在一定程度上，開挖面的放坡對減少地應力的釋放，維持開挖面的穩定具有一定作用。在重力方向，支護結構能對圍巖剛度抑制地層變形進行很好的彌補，在即將完成貫通時，縱向地應力值在上臺階較小。

　　地表沉降值在隧道中心軸線正上方最大，在橫斷面上，距離中心軸線越遠，沉降值越小。在完成初期支護結構施加后，地表后續沉降較小，在進行二次襯砌施加后，地表沉降值趨于穩定。在開挖前地表沉降值為0，在地表觀測點，從完成正下方下臺階開挖到完成初期支護，地表出現25.42mm的沉降，在完成二次襯砌時，累計沉降為26.15mm。

　　[關鍵詞]地表沉降,隧道,應力釋放,有限元

　　近年來，隨著我國城鎮化的進一步發展，在大中城市，為緩解交通壓力，進行隧道等地下空間建設[1]。在進行隧道施工時，常常會造成地表變形，變形過大會造成鄰近構筑物的破壞[2]。在隧道埋深較小時，因其上覆土層使完整土拱無法形成，因而具有較低的自承能力，沉降可迅速從隧道拱頂向地表發展，控制沉降非常困難[3]。

　　在我國，淺埋暗挖法在城市淺埋隧道建設中應用廣泛[4]，該方法對周圍土體的自承能力進行了考慮[5]。為將對周圍土體的擾動減少，該方法提出嚴注漿、管超前、強支護、短開挖、勤量測、快封閉等要求[6]。影響地表沉降的因素較多，具有明顯地域特性，與土質狀況、具體開挖方法、地下水滲流影響程度等具有密切關聯[7]。

　　在城市隧道建設中，地表沉降控制是難點[8]。有學者基于大量淺埋暗挖隧道工程的實測數據，對地質條件和覆土厚度對地表沉降的影響進行了研究，并采取有限元軟件進行了模擬分析[9];有研究者對CRD法、雙側壁導坑法、CD法對地表沉降影響進行了分析研究[10];有學者對掌子面范圍內，斷層帶和混合地層類型對地表沉降的影響進行了研究;有研究者對最大地表沉降量和淺埋暗挖隧道超前管棚支護參數的關系進行了研究。但目前對富水地層大跨度隧道施工地表沉降的研究較少，本文基于某地鐵隧道工程，采用有限元分析法，對復雜環境下暗挖隧道穿越富水砂層的地表沉降進行了研究。

　　1工程概況

　　本工程為福州某地鐵隧道建設項目，該工程從A站到G站的地鐵隧道屬于淺埋暗挖區間。在右線區間，隧道長度為1025.13m;在左線區間，隧道長度為1027.21m。本區間正線線間距為9.5～16.2m，隧道覆土厚度為32.8～48.7m，隧道軌面埋深為37.66～53.74m。區間隧道采用臺階法進行施工，在本區間，設置有施工豎井一座，橫通道兼作聯絡通道。該地鐵地下管網密布，地表建筑較多，本研究選取A站到G站的左線橫通道段，在對該段隧道進行開挖后，主要處于微風化花崗巖的上部，在隧道洞身，主要穿過中等風化花崗巖、微風化花崗巖、散體狀強風化花崗巖、破碎狀強風化花崗巖等。

　　2隧道開挖及支護結構

　　先進行礦山法隧道豎井的施工，在完成豎井施工后，對橫通道進行施工，通過橫通道，向兩側車站分別開辟4個工作面，同時組織進行施工，按照圍巖特點，采用臺階法進行施工。在正線隧道結構中，支護形式全部采用復合式襯砌。A站到G站的左線橫通道段圍巖等級為5級，結構施工采用C型斷面進行。

　　3監測點布置

　　在隧道沿線縱向中軸線正上方，對地表監測點進行布置，當遇到地表既有建筑物和設施、建筑物群聚，沿著該處橫斷面，在一定范圍內，加密進行沉降觀測點的布設。本研究選取左線圍巖等級為V級，同時橫斷面形式為C型即馬蹄形開挖段，DBC52-1為地表沉降觀測點。

　　4淺埋暗挖隧道模型建立

　　4.1有限元分析程序簡介

　　巖土工程的計算分析中，通常采用數值方法進行，在巖土中，通過有限元法(ABAQUS)，能夠將容易的邊界條件、復雜形狀、幾何非線性、材料物理非線性進行處理，因此在土工固結、滲流、變形、穩定分析領域應用廣泛。

　　ABAQUS包括單元模型、材料模型、荷載及邊界條件，能夠對動力、靜力等進行求解，在進行非線性問題的求解方面具有較好的效果，對巖土工程具有較好的適用性。本研究在分析隧道淺埋暗挖時，采用ABAQUS進行三維建模有限元分析。根據施工區不同圍巖等級Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，斷面結構分別采用A、B、C型，其中A型斷面的初期支護采用鋼筋網、砂漿錨桿、網噴混凝土;B型斷面的初期支護采用網噴早強混凝土、砂漿錨桿、鎖腳錨桿、縱向連接筋、鋼架網、格柵鋼架;C型斷面的支護結構包括B型斷面的全部初期支護結構，在開挖隧道前要進行超前小導管注漿的加固。在進行隧道開挖時，周圍圍巖擾動范圍為4.5倍的隧道寬度范圍，隧道寬度為12.9m，隧道覆土厚度為47.5m，計算模型橫斷面高為90.5m，寬為70.5m。

　　4.2基本假定

　　將模型土體進行簡化，形成三層土，且分布均勻，上層土為素填土，中層土為散體狀強風化花崗巖，下層土為微風化花崗巖，其全部為均勻分布;因工程所在區域屬于沿海地區，其地質多為淤泥地質，在建立模型時將地下水滲流耦合忽略掉;施工區間覆土的深度為47.5m，將地面車輛行人等動荷載影響忽略掉;簡化錨桿支護注漿和超前小導管支護注漿模型，圍巖取注漿參數在注漿影響的3m范圍內進行等同簡化;在進行實際開挖時，面下臺階的坡度為74.5°，面上臺階的坡度為80.5°，在進行建模過程中，簡化上臺階和下臺階的斜坡。

　　4.3數值模擬計算過程及結果分析

　　4.3.1數值模擬計算過程

　　本工程采用正臺階法對隧道進行開挖，隧道的縱向長度為6.5m，開挖臺階的長度為4.5m，在完成地應力的平衡計算時，開始進行第一次拱頂小導管注漿的超前加固，其中拱頂加固范圍為縱向3m，120°的區域。

　　4.3.2數據結果分析

　　a.對隧道開挖縱向中軸線地表沉降進行分析。第1次開挖上臺階距洞口為1.0m后，在完成第1次上臺階1.0m的開挖后，通過對應力云圖和位移云圖分析可知，在施工前，雖超前對小導管進行注漿加固，并超前對開挖面圍巖剛度進行補償加固，在抑制地層變形，應對豎向地應力方面效果較好，但在較大地應力作用下，沿隧道方向進行面土體開挖時，仍然會有較大位移發生，這就造成地應力在距離開挖面一定范圍內進行大量釋放。

　　地表沉降值在距離開挖面1.0m時為-23.372700mm，在距離開挖面7.0m時，其值為-23.372940mm，兩者的差值為0.000180mm，這也是對應力和位移云圖顯示結果的驗證。在進行隧道淺埋暗挖時，在一定程度上，開挖面的放坡對減少地應力的釋放，維持開挖面的穩定具有一定作用。第6次開挖上臺階距洞口為1.0m后，在完成第6次下臺階1.0m的開挖后，通過對應力云圖和位移云圖分析可知，此時隧道上臺階剩1.0m的距離即將貫通，在距離洞口上臺階7.0m的重力方向，因小導管的超前加固，使下位移較小。

　　這表明在重力方向，支護結構能對圍巖剛度抑制地層變形進行很好的彌補，因垂直開挖面和支護結構無法對地應力的縱向釋放進行抑制，受前期開挖造成地層的擾動，地應力已完成釋放，地應力釋放距離開挖面越近越多，同時開挖面也越具有較大位移，因此，縱向地應力值在上臺階即將貫通時較小。

　　在每次進行開挖時，因模型沿隧道縱向對地應力釋放無有效抑制措施，上臺階在第一次開挖時距開挖面為1.0m，其沉降值與距離開挖面7.0m的地表沉降值近似相等，在前期進行小導管的加固時，范圍僅為拱頂縱向3.0m區域，未加固距離開挖面3.0～7.0m的拱頂范圍，開挖面縱向地應力大量釋放，造成開挖后，距離洞口1.0m的開挖面沉降值和距離洞口7.0m的地層沉降值基本相同。

　　隨著每次開挖對地層擾動造成地應力持續釋放，地面的沉降值也在逐漸增大。在隧道貫通后，及時對二次襯砌背后進行注漿后，地表沉降值有小幅回彈出現。施工全部完成后，與其他部位相比，拱頂應力較大，位移量較小，這表明在進行開挖時，控制拱頂以上地應力的釋放非常重要，因而，在實際施工過程時，對開挖面進行適當放坡，從而對隧道縱向地應力的釋放進行抑制，同時及時進行支護結構的施做，由于地應力釋放屬于一個逐漸釋放的過程，支護結構施做越及時，對地應力釋放的抑制效果越好。

　　地表沉降值在隧道中心軸線正上方最大，在橫斷面上，距離中心軸線越遠，沉降值越小，因而，在工程實際施工時，觀測點主要為隧道中心正上方縱向沿線的沉降觀測點，這樣可將地表沉降的主要情況反應出來，同時可將隧道開挖過程圍巖穩定、地層穩定性、隧道穩定情況間接反應出來。

　　5結論

　　a.隧道開挖縱向中軸線地表沉降表明，在一定程度上，開挖面的放坡對減少地應力的釋放，維持開挖面的穩定具有一定作用。在重力方向，支護結構能對圍巖剛度抑制地層變形進行很好地彌補，縱向地應力值在上臺階即將完成貫通時較小。

　　b.地表沉降值在隧道中心軸線正上方最大，在橫斷面上，距離中心軸線越遠，沉降值越小。在完成初期支護結構施加后，地表具有較小的后續沉降，在進行二次襯砌施加后，地表沉降值趨于穩定。

　　c.在開挖前地表沉降值為0，在地表觀測點，從完成正下方下臺階開挖到完成初期支護，地表出現25.42mm的沉降，在完成二次襯砌時，累計沉降為26.15mm。

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