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浅埋暗挖不同工法对地表沉降的影响
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内容提示：地下工程或地下洞室的修建会使周围一定范围内的既有建筑物受到影响，对地面产生变形。本文结合结构地层模型，采用邓肯一张的非线性弹性本构模型，考虑了浅埋暗挖2种工法施工对隧道上部地表沉降的影响，利用ANSYS有限元软件，对场地的地铁隧道开挖方式不同对地表的影响进行了数值分析，得出了一定规律性和有益的结论。
1 计算模型建立及参数的选取
地下结构的计算不同于一般结构物。首先，地下结构与岩土介质结合成一个连续的或不连续的整体系统，相互作用，共同受力;其次，土介质材料一般呈不均质、各向异性的非线性形态;通常处于二维或三维的复杂应力状态，例如隧道衬砌应按平面应变和空间问题计算分析等。因此，在实际工程中，隧道对地表沉降的影响是一个非常复杂的问题，鉴于目前二维模型也能较好的得到问题的解答，在计算中做出如下简化假设:1)采用二维平面应变模型进行模拟;2)假设计算范围内为均匀土层。（参考《建筑中文网》）
1. 1 计算模型的建立
场地计算模型图如图1，网络划分如图2。模型的选取参考了北京地下直径线崇文门车站直径线区间隧道，区间采用浅埋暗挖法施工，隧道埋深8m，区间采用马蹄形断面，矿山法施工，复合衬砌结构顶部圆拱半径为6. 28m，仰拱半径为14. 7m。
根据计算，边界取为隧洞等效直径的3倍左右，误差在10%以内。水平方向取55 m为横向边界，竖直取地表以下34. 5m为下边界，能够准确的得到问题的解答。
为了得到不同开挖方式对地表沉降的影响，本文模拟了两种开挖方式，都分四步开挖，但开挖的顺序不一样。
1. 2 土体本构模型
邓肯一张双曲线模型能较好地反映土的非线性性状，被广泛地应用于岩土工程的数值分析中。在地铁施工的设计计算过程中，常常要求分析计算不太复杂，又能接近实际。而不少学者则认为邓肯一张模型用于地下工程分析是比较理想的。
1.3 材料参数选取
计算所用的材料及参数选取如表1所示。其中参数E为弹性模量;A为截面积;Y为重度;I为惯性矩。
1. 4 隧道施工计算步骤
(1)第一种开挖方式(图3):
2 计算结果分析
利用ANSYS有限元分析软件通过对隧道不同开挖方式情况计算，整理出了如图5,6所示的地下隧洞正上方地表沉降的关系曲线。
3 计算结果分析
基于土体本构模型为非线性模型，地表沉降曲线的变化是一个非线性不可逆的过程，由图4、图5可以看出，不同施工的方案地表沉降是不一样的。
由图4、5可以看出，方案1由隧道开挖引起的地表沉降曲线，由于开挖深度不增加，开挖宽度不断增加，在施工初期沉降量小，曲线呈现与Peck曲线较为一致的形状;而方案2，由于开挖深度不断增加，而开挖宽度不增加，所以其沉降量比方案1大。
由沉降曲线可以看出，方案2的第二步开挖引起的沉降明显比方案1的第二步开挖引起的沉降大，这是由于底部隧道开挖时“群洞效应”作用明显，每开挖一部，都要对隧道上部的地表变形产生很大的影响，地表加速沉降。大的沉降量不利于保护上方环境，施工中应该尽量避免此种情况的发生。
4 结论
由于隧道施工过程和开挖顺序的不同都会引起各自不同的应力和应变的非线性历程，最终导致不同的力学效应。地铁隧道的施工中，由于需要分部开挖，那么开挖顺序的不同，导致的“群洞效应”作用的大小也不一样，因此制定开挖方案时，应注意采取较为优化的方案应避免出现“群洞效应”，以保证地铁隧道施工安全.
隧道施工过程，由于开挖顺序不一样引起的地表沉降和沉降槽的宽度也不一样，在施工过程中应选择合适的施工方案，有利于保护地铁隧道上部建筑物、管线等，同时还要采取积极的施工措施如跟踪注浆等确保隧道上方环境安全.
参考文献：
[1]丁锐，范肠，焦仓，等.不同开挖步骤引起浅埋隧道地表沉降的数值分析、铁道工程学报，2005 , (s)。
[2]杨晓杰，褚立孔，张倍，等.城市隧道施工引起地表沉降数值模拟研究.矿山压力与顶板管理，2005，(3).
[3]卿伟衰，廖红建，钱春宇.地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响.地下空间与工程学报，2005,(6).
[4]郭晓魁，李强，周雁.浅埋近接隧道施工地表沉降有限元分析.内蒙古公路与运输,2005. ( 3 ) . 来源: 《建筑中文网》.
地下结构的计算不同于一般结构物。首先，地下结构与岩土介质结合成一个连续的或不连续的整体系统，相互作用，共同受力;其次，土介质材料一般呈不均质、各向异性的非线性形态;通常处于二维或三维的复杂应力状态，例如隧道衬砌应按平面应变和空间问题计算分析等。因此，在实际工程中，隧道对地表沉降的影响是一个非常复杂的问题，鉴于目前二维模型也能较好的得到问题的解答，在计算中做出如下简化假设:1)采用二维平面应变模型进行模拟;2)假设计算范围内为均匀土层。（参考《建筑中文网》）
1. 1 计算模型的建立
场地计算模型图如图1，网络划分如图2。模型的选取参考了北京地下直径线崇文门车站直径线区间隧道，区间采用浅埋暗挖法施工，隧道埋深8m，区间采用马蹄形断面，矿山法施工，复合衬砌结构顶部圆拱半径为6. 28m，仰拱半径为14. 7m。
根据计算，边界取为隧洞等效直径的3倍左右，误差在10%以内。水平方向取55 m为横向边界，竖直取地表以下34. 5m为下边界，能够准确的得到问题的解答。
为了得到不同开挖方式对地表沉降的影响，本文模拟了两种开挖方式，都分四步开挖，但开挖的顺序不一样。
1. 2 土体本构模型
邓肯一张双曲线模型能较好地反映土的非线性性状，被广泛地应用于岩土工程的数值分析中。在地铁施工的设计计算过程中，常常要求分析计算不太复杂，又能接近实际。而不少学者则认为邓肯一张模型用于地下工程分析是比较理想的。
1.3 材料参数选取
计算所用的材料及参数选取如表1所示。其中参数E为弹性模量;A为截面积;Y为重度;I为惯性矩。
1. 4 隧道施工计算步骤
(1)第一种开挖方式(图3):
2 计算结果分析
利用ANSYS有限元分析软件通过对隧道不同开挖方式情况计算，整理出了如图5,6所示的地下隧洞正上方地表沉降的关系曲线。
3 计算结果分析
基于土体本构模型为非线性模型，地表沉降曲线的变化是一个非线性不可逆的过程，由图4、图5可以看出，不同施工的方案地表沉降是不一样的。
由图4、5可以看出，方案1由隧道开挖引起的地表沉降曲线，由于开挖深度不增加，开挖宽度不断增加，在施工初期沉降量小，曲线呈现与Peck曲线较为一致的形状;而方案2，由于开挖深度不断增加，而开挖宽度不增加，所以其沉降量比方案1大。
由沉降曲线可以看出，方案2的第二步开挖引起的沉降明显比方案1的第二步开挖引起的沉降大，这是由于底部隧道开挖时“群洞效应”作用明显，每开挖一部，都要对隧道上部的地表变形产生很大的影响，地表加速沉降。大的沉降量不利于保护上方环境，施工中应该尽量避免此种情况的发生。
4 结论
由于隧道施工过程和开挖顺序的不同都会引起各自不同的应力和应变的非线性历程，最终导致不同的力学效应。地铁隧道的施工中，由于需要分部开挖，那么开挖顺序的不同，导致的“群洞效应”作用的大小也不一样，因此制定开挖方案时，应注意采取较为优化的方案应避免出现“群洞效应”，以保证地铁隧道施工安全.
隧道施工过程，由于开挖顺序不一样引起的地表沉降和沉降槽的宽度也不一样，在施工过程中应选择合适的施工方案，有利于保护地铁隧道上部建筑物、管线等，同时还要采取积极的施工措施如跟踪注浆等确保隧道上方环境安全.
参考文献：
[1]丁锐，范肠，焦仓，等.不同开挖步骤引起浅埋隧道地表沉降的数值分析、铁道工程学报，2005 , (s)。
[2]杨晓杰，褚立孔，张倍，等.城市隧道施工引起地表沉降数值模拟研究.矿山压力与顶板管理，2005，(3).
[3]卿伟衰，廖红建，钱春宇.地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响.地下空间与工程学报，2005,(6).
[4]郭晓魁，李强，周雁.浅埋近接隧道施工地表沉降有限元分析.内蒙古公路与运输,2005. ( 3 ) . 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200808/9022.htm
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