【摘  要】结合青岛地铁某车站的实际资料,采用三维数值模拟的方法，运用ansys数值模拟软件，模拟实际车站的分步开挖过程，分析城市地铁开挖引起的地表沉降的一般规律，揭示地表的沉降和变形形式。模拟数据与实际监测数据做对比分析，可以对为未挖到的地区的地标沉降做出预测，为工程施工方案制定提供了参考依据。

【关键词】青岛；地铁车站；ansys数值模拟；地表沉降规律

 

      随着我国城市建设的迅速发展，城市规模逐步扩大，城市人口密度持续增长，导致许多大城市存在一系列随之而来的问题，比如人口膨胀、建筑空间狭小、城市绿化减少、交通拥挤、环境污染等等，其中交通阻塞已成为我国许多城市的突出性问题。 一方面，经济与社会的发展对城市集约化的程度和提高效率的要求越来越高；另一方面，城市建设迅速发展的结果使得城市可供利用的地面面积越来越少，尤其是城市市区的可利用地面面积。要解决城市建设与土地资源不足之间的矛盾，以促进城市的可持续发展，保护环境，合理地开发利用地下空间是一条非常有效的解决这些问题的途径，比如修建地下铁道、公路隧道，或穿越障碍物的各种地下通道以及各种市政地下工程和地下人防设施等城市隧道工程，因此修建城市隧道日益受到世界各国的重视。

      隧道工程的施工环境是在岩土体内部，所以施工过程中不可避免地会对周围的岩土体产生一定扰动，引起隧道周边岩土体发生移动和变形。 城市隧道工程具有埋深较浅，围岩性质软弱、地质条件差，地表建筑物及地下管线分布密集，地下水水位较高的显著性特点。 它的这些特点决定了隧道施工过程中围岩可能会产生较大的位移和变形，这些位移和变形会逐步传递至建筑物的基础，导致地表建筑物发生下沉和倾斜，也会逐步传递至地表，在地表产生明显的沉降槽。地表建筑物可以承受的变形能力是有限的，随着变形的发展，建筑物及其他设施与地基之间的原有平衡被打破并建立新的平衡，自此过程中在原有建筑物中会产生二外的附加应力，这就会影响地面建筑物的安性全及正常使用情况，严重时会使它们发生破坏，导致发生一系列的岩土环境问题，进而造成严重的经济损失，国内外已有很多这方面的工程实例发生。

      本文采用有限元分析软件 ANSYS 对青岛某地铁车站的开挖过程进行数值模拟，地下工程开挖引起的地表沉降进行对比分析。

 

      青岛地质条件具有其独特性， 地表以下 2~6 米多为第四系地层，主要由全新统人工填土（Q4mL）。

 

      青岛具有典型的“上软下硬”地层特点，上部依次为填土层(0.5~2m)、粉质粘土(1~4.8m) 、含砂粘性土(0.9~2.3m) 、强风化(4~5m) 、中风化(0.6~7.1m)和微风化花岗岩。 车站拱顶埋深为 9.3～10.5 米，拱顶覆岩为 2.8～6.4 米。

      和上更新统冲红极层（Q^3al+pl），地表以下 7~15 米多为强风化花岗岩地层，15 米以下为中风化花岗岩地层，但岩层较薄，约为 2~3 米厚，再往下基本上都是微风化和未风化花岗岩地层。

      车站位置位于风化岩位置，强风化地层围岩承载力高，但较为松散；微风化地层岩石强度非常高，岩石完整性也很好。 此车站为地下两层岛式站台车站。车站采用暗挖法施工，拱顶埋深 9.3～10.5 米，拱顶覆岩为 2.8～6.4 米，双层大拱脚复合式衬砌结构，宽 20.6 m，高 14.5m。车站设风井 2 座，出入口 4 座。

      本文针对 K8+557~K8+497 段进行模型建立并进行实际开挖分析。

      根据详勘报告，地下水类型按赋存方式主要为：第四系松散土层孔隙水，基岩裂隙水。素填土，地下水贫乏，属中等透水层。根据地勘的图，选取 K8+557~K8+497 段，由图可知，该段地层分布较均匀，故作出以下参数取值。

      根据 3.1 节中的实际数据，运用 ansys 模拟软件建立模型，如图 2和图 3 所示。 模型横向长度为 120 米，隧道前进方向长 60 米，车站断面拱顶上覆岩层和土层由上到下分别为 3 米素填土，4 米粘性土，4 米强风化岩；车站上断面位于强风化岩层中，下断面有 2 米位于中风化岩层中，剩余部分位于微风化岩层，车站断面以下地质全部微微风化岩层。

      根据设计方案中的具体分步开挖步骤进行模拟，第一步分布开挖上断面左右侧的岩体，并架立格栅拱架及临时支撑，第二步开挖上断面中部的岩体，并架立格栅拱架及时施工临时支护，第三步分段拆除临时支撑， 第四步按一定顺序开挖下断面的岩体并及时实施初期支护，每一步的掘进速度都是 2 米/日，循环掘进，直至模型完全开挖完毕为止。

      提取隧道开挖后模型的竖向位移云图如图 4 所示。 从图中可以看出，隧道中心线处颜色最深，即此处的竖向位移值最大，位移以中心线处为基准向两侧、向前逐步减小，隧道开挖引起的地表沉降等值线呈锥形，锥尖方向与隧道前进的方向一致。

      提取相应数据，取出隧道起始断面，即模型初始断面的地表各点的位移值，并绘制为曲线，如图 5 所示。

      由图 5 沉降曲线可以看出，隧道中心线处的地表沉降最大，最大沉降值约为 1.3 厘米，地表沉降曲线连续平滑，左右各有一个明显的拐点。 从图 5 中曲线可以看出，地表各点的沉降值与点与隧道中心线的距离相关，与隧道中心线的距离成反比。 点与隧道中心线的距离越近，沉降值越大，反之，点与隧道中心线的距离越远，沉降值越小。从图5 中可以看出 ，地表点坐标为 30 和大于 30 的区域中 ，地表沉降曲线与坐标轴近乎重合，即沉降值为零。实际沉降值存在，但沉降值远远小于 1 毫米，我们假设这些地表点的沉降值为零，即这些区域为不受隧道开挖影响的区域。 经验判断中，我们在地下开挖所影响的范围的选取时，以影响传播角 45°来为基本准则，模型中的影响范围与实际经验选取相符合。

      提取相应数据，取出隧道起始断面，即模型初始断面的地表各点的位移值，并绘制为曲线，如图 6 所示。

      由图 6 沉降曲线可以看出， 隧道开挖起始处地表的沉降最大，最大沉降值约为 1.5 厘米，地表沉降曲线连续平滑，有一个明显的拐点。从图 6 中曲线可以看出，地表各点的沉降值与点和同隧道起始处的距离有关，与隧道其实处的距离成反比。与隧道起始处的距离越近，沉降值越大，反之，与隧道起始处的距离越远，沉降值越小。 从图 6 中又可以看出，地表点坐标为 30 和大于 30 的区域中，地表沉降曲线与坐标轴近乎重合，即沉降值为零。实际沉降值存在，由于具体的沉降值远远小于 1 毫米，我们假设这些地表点的沉降值为零，即这些区域为不受隧道开挖影响的区域。 经验判断中，我们在地下开挖所影响的范围的选取时，以影响传播角取为 45°为基本准则，模型中的影响范围与实际经验选取相符合。

      提取隧道开挖后模型的竖向位移云图如图 7 所示。 从图中我们可以很明显的看到由于隧道开挖产生的地表的沉降槽形式和形状，隧道中心线处地表的竖向位移依旧最大影响。

      提取相应数据，取出隧道起始断面，即模型初始断面的地表各点的位移值，并绘制为曲线，如图 8 所示。

      由图 8 沉降曲线可以看出，隧道中心线处地表的沉降值最大，最大沉降值约为 4.2 厘米，地表沉降曲线连续平滑，左右各有一个明显的拐点。 从图 9 中曲线可以看出，地表各点的沉降值与点与隧道中心线的距离相关，与隧道中心线的距离成反比。 点与隧道中心线的距离越近，沉降值越大，反之，点与隧道中心线的距离越远，沉降值越小。 从图 8 中可以看出，地表点坐标为 30 和大于 30 的区域中，地表沉降曲线与坐标轴近乎重合，即沉降值为零。 实际沉降值存在，由于具体的沉降值远远小于 1 毫米，我们假设这些地表点的沉降值为零，即这些区域为不受隧道开挖影响的区域。 经验判断中，我们在地下开挖所影响的范围的选取时， 以影响传播角取为45°为基本准则，模型中的影响范围与实际经验选取相符合。

      提取相应数据，取出隧道起始断面，即模型初始断面的地表各点的位移值，并绘制为曲线，如图 9 所示。

      由图 9 沉降曲线可以看出， 隧道开挖起始处地表的沉降最大，最大沉降值约为 3.8 厘米，地表沉降曲线连续平滑，由于施工后沉降值会继续发展直至达到稳定，所以地表各点的沉降值还是不同的，地表各点的沉降值与同隧道起始处的距离成反比，同隧道起始处的距离越近，沉降值越大，反之，同隧道起始处的距离越远，沉降值越小，最后趋于稳定。

 

      由于本文的数值模拟与实际施工步骤相同，选取模拟段的地层分层明显连续，可以说是较符合实际的情况，所以用实际的监测数据作对比验证自身的正确性，并作出分析。

      车站 K8+557~K8+497 都设有监测点，用来监测地表沉降，并起到监测预警的作用， 在 K8+557 断面设有五个监测点， 分别为 DC50~DC54。 其中，DC52 位于隧道中心线处，其他监测点以隧道中心线对称分布，并位于隧道正上方。 从历史监测数据显示，初始的沉降值为 12~14 毫米，与数值模拟中的 12 毫米相近 ，而最后趋于稳定的 37~39 毫米的最终沉降值与数值模拟中的 41 毫米相近， 说明本文采用的建模参数与开挖步骤具有一定的正确性，可以继续使用。

      本文通过 ansys 数值模拟软件， 对青岛市地铁某车站的开挖过程进行模拟，分析地下车站开挖引起的地表的沉降规律，包括横向和纵向地表竖向位移规律，模拟的初始沉降值与最终沉降值与实际监测报告中的地表沉降值相近，进一步的验证模拟的正确性。 通过对开挖引起的地表沉降的数值模拟，可以进一步指导施工的工序，监测点的布置，地表沉降槽的影响的范围和影响区域，出现较大沉降的区域，需要提前做防护和保护措施，保证地表建筑物的安全和正常的使用。 但是由于 ansys 软件本身的局限性，无法模拟地下水位、岩石节理倾向和宽度等一系列其它影响因素，本文通过对具体岩土体的参数修改进行一定的修正，所以得到了与实际相近似的模拟结果，具有一定的实际应用价值。

 

【参考文献】

［1］钱七虎．迎接我国城市地下空间开发高潮[J]．岩土工程学报 ，1998,20(4):112-113.

［2］钱七虎．岩土工程的第四次浪潮[J]．地下空间,1999,19(4):267-272.

［3］刘宝琛．急待深入研究的地铁建设中的岩土力学问题[J]．铁道建筑技术,2000,(3):l-3

［4］刘天泉，钱七虎．城市地下岩土工程技术发展动向[J]．煤炭科学技术 ，1997,27(1)：1-5

［5］王梦恕．地下工程浅埋暗挖技术通论[M]．合肥:安徽教育出版社,2004.