摘要：近年来随着国家基础设施建设力度的加大，城市地铁得到了快速的发展，浅埋暗挖法在地铁隧道施工中得到了广泛地应用。本文以哈尔滨地铁三号线湘会区间隧道为工程依托，利用有限元分析软件MIDAS/GTS对隧道采用上下台阶预留核心土法施工过程进行了数值模拟，分析了地面沉降、拱顶下沉以及洞径收敛规律。同时根据整理和统计施工现场的实际监测数据，从右线隧道施工所引起的地表横向和纵向沉降以及区间双线平行隧道开挖而引起的地表沉降等方面进行了研究和分析。最后对数值仿真模拟结果与现场实际监控数据进行了对比和分析，得出了地铁浅埋暗挖法隧道施工所引起的地层变形规律，并给施工提出建议措施。
关键词：哈尔滨地铁；台阶法；地层变形；监测
1 工程背景
1.1工程概况
哈尔滨地铁3号线湘会区间，南起湘江路车站，北至红旗大街车站。右线隧道开始里程DK20+657.517，结束里程为DK21+381.046，右线隧道长723.529m；左线起点里程为 DK20+657.517，终点里程为DK21+381.931，设置长链0.499 m，短链3.250 m，区间左线长度721.663 m。本区间正线线间距为14m～13m～17m。在里程DK20+717.517处设置区间人防结构。
1.2 工程地质
哈尔滨市属于我国东北区域，冬季属于高寒地区。 本标段位于南岗区、香坊区及道外区，地貌单元为岗阜状平原及岗阜状平原与松花江漫滩区过渡地段， 地势略有起伏，由南向北倾斜，自哈轴厂向先锋路，海拔高度为147.8-128.0 m， 相对高差较小。
根据原有资料及钻探揭露，本标段分布地层由上至下主要为：1-1杂填土、4-1粉质黏土、4-2粉质黏土、5-1粉质黏土、5-2粉质黏土、6-1粉质黏土、6-2细中砂、6-3中砂。
1.3 隧道参数
区间隧道正线标准断面洞径6.2m，隧道高6.46m。隧道所处的岩土体主要为粉质黏土，初支采用C25，厚度0.25m网喷混凝土支护。隧道开挖采用环形开挖预留核心土法（上下台阶预留核心土法）施工，留台长度为6m左右。在隧道中线左右60°角度内设置超前小导管加固地层: ?42@300mm，t=3.25，L=3m，两榀一打，预注浆液。
2 隧道施工过程数值模拟
2.1哈尔滨地铁湘会区间隧道施工过程数值模拟
区间隧道正线标准断面洞径6.2m，隧道高6.46m。隧道所处的岩土体主要为粉质黏土，初支采用C25，厚度0.25m网喷混凝土支护。隧道开挖采用环形开挖预留核心土法（上下台阶预留核心土法）施工，留台长度为6m左右。本次数值模拟范围为区间隧道右线DK21+279.08~381.82，左线DK21+282.33~381.384标准断，模拟段隧道为双线平行隧道，线间距13.1m。
2.2有限元计算模型的建立
岩土体采用mohr-coulomb本构模型；由于地铁隧道一般埋置深度较浅，只考虑自重应力引起的初始应力场；在对隧道进行开挖时，不考虑地下水的影响。在模拟超前小导管注浆加固和锚杆时将其等效为是在区间隧道拱部土体中形成了3m左右厚的环状加固圈，利用提高环状加固圈的土体力学参数来实现[1-4]。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆模型的尺寸拟定为120m×45m×30m，建立的模型共生成了16047个节点，28700个单元，
3.数值模拟值与现场监测值对比分析
3.1隧道净空收敛对比分析
选取DK21+294断面净空收敛监测点JKS-RN3的实际监测值与计算值进行对比。
通过对比可以得知净空收敛监测点JKS-RN3实际监测最大收敛值为-8.65mm，模拟计算最大收敛值为-10.92mm。模拟计算收敛值大于实际监测收敛值。根据对比图可以看出隧道内土体的收敛变形受到施工时的空间效应影响，当在第五天时隧道开挖面到达该监测点所在位置处，此时该点的计算收敛值已经到达-2.99mm，因为施工时的空间效应，对开挖面前方一定范围内的岩土体造成扰动发生形变。
3.2隧道拱顶下沉对比分析
同样选取DK21+294断面处隧道拱顶沉降监测点GDC-RN3的实际监测值与计算值进行对比。
拱顶下沉实际监测最大值为-13.66mm。计算值为-17.9mm，实际监测拱顶沉降值小于计算值。由于在实际监测中，拱顶沉降测点的埋设不及时使得该测点的部分初始值没有收集到，同时再实际监测中无法考虑到开挖时的“空间效应”问题，这就使得拱顶沉降的计算值大于实际监测值。实际监测拱顶下沉曲线在17天时出现突变，原因是在实际测量过程中人为的因素造成，即人工测量误差，无其他意义。
3.3地表沉降对比分析
选取DK21+279断面处的地表沉降监测点为研究对象，统计施工完成后实际监测的地表沉降值与计算值的曲线对比，
DK21+279断面实际监测地表最大沉降值为-27.31mm，而模拟计算的地表最大沉降值为-22.45mm。相比净空收敛与隧道拱顶下沉，地表沉降实际监测值要大于模拟计算的沉降值。这是由于隧道内施工对地面监测点的布设工作影响较小，从一开始对隧道进行开挖时就已经进行了地表沉降监测的工作，这样监测出的沉降值已经包括了隧道开挖“空间效应”的影响。同时在用有限元进行模拟计算时没有考虑到路面车辆荷载和隧道上方岩土体中存在的一些上层滞水，所以，计算值小于实际监测的地表沉降值。通过对实际监测沉降曲线与计算沉降曲线的对比，二者沉降规律相似，沉降曲线形状与Peck沉降槽曲线能够较好的吻合，最大沉降值发生在线间距中线位置，沉降槽宽度大约在30m至35m左右。
4结论
根据数值模拟计算值与统计的现场实际监测数据可以得知：
（1）隧道拱顶下沉与隧道净空收敛所发生的变形主要是因为上台阶的开挖所产生，当监测点埋设10天昨天时间内变形较大，随着施工不断的进行，变形速率减缓直至沉降量趋于稳定。
（2）地表横向沉降曲线与Peck公式大体吻合，沉降槽宽度大约为25m至30m，沉降速率增大，变形量增加段主要集中发生在开挖面经过监测断面这一区段，这一区段内产生的沉降量占总沉降量的60%左右。
（3）地表纵向沉降根据开挖面与监测断面距离可以分四个阶段，分别为：较小沉降阶段、沉降快速增加阶段、缓慢沉降阶段、沉降稳定阶段，开挖面与监测断面距离在-1D至3D范围时控制地表沉降的主要区段。模拟计算结果与实际监测数据进行对比后，二者之间数据吻合较好，说明采用MIDAS/GTS进行数值模拟能够正确预测地层发生的变形。此模拟和研究结果可为哈尔滨地区类似的工程项目提供参考。
参考文献(References):
[1]吴波，刘维宁，高波等.城市浅埋隧道施工性态的时空效应分析[J].岩土工程学报,2004,26(3):340-343.
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[3]陈先国，高波.地铁近距离平行隧道有限元数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2002,21(9):1330-1334.
[4]汪小敏,黄宏伟，谢雄耀.软弱围岩隧道施工三维有限元分析[J].地下空间与工程学报,2007,3(6):1114-1118.
论文作者:刘伟伟1,白广明1
论文发表刊物:《防护工程》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/28
标签：隧道论文; 拱顶论文; 地表论文; 断面论文; 区间论文; 数值论文; 黏土论文; 《防护工程》2018年第2期论文;