考虑流固耦合的隧道开挖引起地表沉降数值分析

材料采用平面四边形四结点耦合单元来模拟。超前预支护的计算采用提高土体相关物理力学参数的等效模拟方法，等效加固区厚度取为1.5 m。

计算中涉及到的物理力学参数见表1。隧道开挖方法如图2所示，按Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ的顺序进行。

2.2 加固区渗透系数对地表沉降的影响

超前预支护加固区防渗效果取决于加固区的平均渗透系数[13-14]。假定预支护加固区周边土层的渗透系数k与预支护加固区的平均渗透系数Kc的比值分别为1.0～20.0共20个数值，其中1.0表示加固体完全透水，从而得到加固区平均渗透系数对地表沉降的影响规律。

地表最大沉降与渗透系数比k/Kc关系曲线如图3所示。从图3可以看出，地表沉降最大值随着渗透系数比k/Kc的增大而减小。当k/Kc较小时，地表沉降最大值随k/Kc的增大而迅速减小，但是当k/Kc较大时，地表沉降最大值随k/Kc的增大而缓慢减小。当渗透系数比k/Kc达到10时即可认为超前预支护加固区的平均渗透系数变化对地表沉降无显著影响。

隧道拱顶下沉与渗透系数比k/Kc关系曲线如图4所示。从图5中可以看出，渗透系数比k/Kc对隧道拱顶下沉的影响规律与渗透系数比k/Kc对地表沉降最大值的影响规律基本相似，这里不再详述。隧道底部位移与渗透系数比k/Kc关系曲线如图5所示。从图5中可以看出，渗透系数比k/Kc对隧道底部位移的影响规律与渗透系数比k/Kc对地表沉降最大值的影响规律基本相似，这里不再详述。

2.3 加固区局部区域渗漏对地表沉降的影响

超前预支护加固区的施工质量得不到保证时，可能会导致部分区域渗漏。

假定开挖过程中出现4种不同部位的渗漏，位置示意如图6所示。示意图中加固区发生渗漏的示意部位1～4分别对应：上部、两侧、底部、全部加固区。

假定超前预支护非渗漏加固区不透水，周边土层渗透系数k与加固区非渗漏部位平均渗透系数Kc的比值为30，其余参数同前。此外，假定超前预支护加固区周边土层渗透系数k与加固区渗漏部位平均渗透系数Kc的比值分别为1.0～20.0共20个数值，其中1.0表示加固区渗漏部位完全透水，从而得到超前预支护加固区不同部位渗漏时其平均渗透系数对地表沉降的影响规律。

超前预支护加固区不同部位渗漏时地表最大下沉与其平均渗透系数比k/Kc关系曲线如图7所示。从图7中可以看出，随着平均渗透系数比k/Kc的增大，部位2或者部位3渗漏时，地表沉降最大值最终和在部位4渗漏时的地表沉降最大值非常接近。显而易见，部位1渗漏时引起的地表沉降最小，要比其它部位渗漏时引起的地表沉降最大值小很多。

2.4 地下水位变化对地表沉降的影响

参考2.1中的算例，超前预支护加固区的平均渗透系数取为1.0×10-4 m/d。模型计算时，假设施工过程的在21～30 d，整个地表区域的下渗总流量分别取0.1～0.6 m3/d共6个数值，从而可以分析得到地下水位变化对地表沉降的影响规律。

周边地表沉降与地下水位变化关系曲线如图8所示。从图8中可以看出，周边地表沉降随着整个区域的下渗总流量的增大而减小，但减小的速率也随着下渗总流量的增大而减小。无下渗流量时，地表沉降最大。

隧道拱顶下沉与地下水位变化关系曲线如图9所示。从图9中可以看出，地下水位变化对隧道拱顶下沉的影响很小。

隧道底部位移与地下水位变化关系曲线如图10所示。从图10中可以看出，地下水位变化对隧道底部位移的影响很小。

3 结 论

基于土体流固耦合理论，通过有限元分析，研究了采用非降水开挖方式施工时隧道周边土层和超前预支护加固区的主要土体特性对地表沉降、隧道拱顶下沉、底部位移的影响规律。主要土体特性是指隧道的超前预支护加固区渗透系数、局部渗漏、地下水位变化等因素。

（1）在非降水开挖时，超前预支护加固区周边土层的渗透系数与加固区平均渗透系数之比值称为渗透系数比。地表沉降、隧道拱顶下沉、隧道底部位移随着渗透系数比的增大而减小。但减小的速率也随之渗透系数比的增大而减小，到某一比值时即可认为加固区的渗透系数不再对地表沉降、隧道拱顶下沉、隧道底部位移产生明显影响。

（2）随着超前预支护加固区渗漏部位的渗透系数比的增大，隧道顶部区域加固引起的地表沉降最小，两侧加固、底部加固和全部区域加固引起的地表沉降接近。

（3）地下水位变化时，超前预支护加固区周边地表沉降随着下渗总流量的增大而减小，但减小的速率也随着下渗总流量的增大而减小。当没有下渗流量时，地表沉降最大。但是，地下水位变化对隧道拱顶下沉、隧道底部位移的影响很小，可忽略不计。

【参 考 文 献】

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[责任编辑：董希斌]

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