邵 葳 于宏福
(北京城建设计发展集团股份有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110086)
1 概述
随着当今社会的快速发展，给各大城市的交通造成了极大负担，为了减缓交通拥堵的难题，地铁顺应时代的潮流应运而生。然而，地铁隧道多用于暗挖施工，势必给地面变形造成影响，其中隧道的埋深是隧道开挖引起地表沉降的重要因素之一[1，2。因此，针对不同土层的不同隧道埋深下，研究隧道开挖对地表沉降的影响尤为重要，对工程事故的预防意义重大。
针对不同隧道埋深，很多学者已经进行了大量研究。李晓娇等[3]通过FLAC3D对粉质粉砂、黏土等土层的隧道开挖进行了数值模拟，研究不同地层中地表沉降随埋深的变化规律以及不同土层中同一埋深下地表沉降槽曲线的变化规律。胡学兵等[4]对不同跨度和埋深的隧道施工进行数值分析，探讨了不同埋深和跨度对隧道结构稳定性的影响，并提出了隧道深埋和浅埋的判断标准。李倩倩等[5]通过现场实测和数值软件，基于北京地铁某区间隧道开挖后，对不同埋深下的地层变形、地层应力以及塑性区分布等方面进行研究。马险峰等[6]利用离心模型试验对盾构隧道的地层损失进行分析，研究地层损失与施工期及工后地表沉降的关系。毛峰等[7]采用数值软件，分析隧道不同埋深时，地表处的土侧压力系数和围岩变形的规律。
但对于不同隧道埋深开挖引起的地表变形研究较少，本文以某地铁区间隧道为依托，采用有限元Midas-NX建立三维模型，研究不同覆土厚度对地层变形的影响研究，为后续的施工提供依据。
2 数值模型的建立
2.1 单元类型及材料参数
隧道的支护结构选取弹性材料，初期支护采用板单元模拟，二衬结构采用修改单元属性的计算模块，通过设定特有边界修改单元属性。锁脚锚杆选用圆形截面的植入式桁架单元进行模拟，并且按照设计注浆锚杆进行轴向刚度等效。
2.2 计算模型
考虑到隧道开挖时对四周的影响范围，有限元模型的水平尺寸取4倍的开挖宽度，竖向长度取隧道底部向下3倍的洞径。有限元模型的尺寸为72 m×35 m×30 m。
有限元模型的左右两侧仅施加法向约束，底面施加水平和竖向的约束，上表面定义为自由边界，土体材料采用修正的摩尔—库仑。有限元模型见图1。
3 结果分析
为研究隧道埋深变化对地层变形的影响，共设计了4种不同的隧道埋深方案，分别取3 m,6 m,12 m和24 m。以便得到在相同隧道支护条件和土层条件的情况下，隧道在超浅埋、浅埋和深埋条件下地层变形规律。
为排除不同隧道周边土层变化的影响，将隧道底部以上的土层材料参数均统一为粉质黏土层。
双隧道开挖不同隧道埋深下地表的变形规律见图2。由图2可知，当隧道埋深为3 m时，地表沉降的最大值为7.4 mm，出现在左线隧道的顶部上方位置，地表沉降曲线形态呈现较为显著的双峰曲线。随着隧道埋深的增大，地表沉降的变形形态逐渐由双峰形式转变为单峰形式。由此可见，隧道埋深越大，隧道间土体受扰动越明显，隧道上方土体变形的叠加程度越显著。从图2可知，随着隧道埋深逐渐增加，隧道上方的地表沉降值也随之增加。分析主要原因为：1)由于模型中采用土层参数为粉质黏土的力学参数，土质较为松软，隧道顶部不易形成压力拱；2)双隧道开挖相对于单个隧道而言，开挖扰动区域较大，这就造成了被扰动区域内的土体不易产生压力拱的自稳结构，上覆土压力随着埋深增大而增大，造成隧道变形增加。
地表沉降实际是由隧道开挖后，拱顶沉降变形传递到地表而引起的，而地层变形传播率(地表沉降/拱顶沉降)是反映地层变形传递规律的主要指标。可以发现随着隧道埋置深度的增加，地层变形传播率逐步减小，隧道开挖的影响向地表传播的程度越来越小。
4 结语
论文采用Midas-NX建立三维有限元模型，研究不同埋深和厚度对地层变形的影响，得出随着隧道埋深的增大，双隧道开挖引起的土层变形也随之增大，主要是由于双隧道开挖将引起更大面积的土体扰动，难以形成上覆土拱效应，上覆土压力随隧道埋深的增加而增大，进而造成地表沉降的增大。
[1] 韩健勇,赵 文,关永平,等.地铁车站洞桩法开挖变形规律分析[J].应用力学学报,2015,32(4):623-629.
[2] 晏 莉.盾构法双管隧道施工引起的地表沉降预测及特征分析[J].隧道建设，2015，35(5)：419-427.
[3] 李晓娇，欧阳煜.不同土质中隧道埋深对地表沉降的影响[J].佳木斯大学学报(自然科学版)，2015，33(2)：202-206.
[4] 胡学兵，乔玉英．埋深和跨度对隧道结构稳定性影响的数值模拟研究[J].公路隧道，2005(2):5-9.
[5] 李倩倩，张顶立，张成平，等．不同埋深下暗挖隧道施工的地层响应[J].北京交通大学学报，2013，37(1):27-33.
[6] 马险峰，王俊淞，李削云，等．盾构隧道引起地层损失和地表沉降的离心模型试验研究[J].岩土工程学报，2012，34(5):942-947.
[7] 毛 峰.黄土隧道深浅埋分界方法研究[D.西安:西安理工大学，2007.
