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摘要：为了探寻湿陷性黄土地区地铁区间隧道开挖对地表沉降及围岩内部沉降的影响规律，基于密模修正法理论，运用GTSNX有限元数值计算软件，结合兰州地铁车站工程，建立施工模型，对围岩自上而下浸水和围岩自下而上浸水两种工况下的施工过程所引起的地表沉降及围岩内部沉降分别进行了数值模拟，分析两种工况下地表沉降和隧道结构位移的变化规律，总结出黄土地区地铁隧道开挖时，针对的应对措施。
关键词：湿陷性黄土；地铁区间隧道；数值模拟；地表沉降；衬砌变形
0引言
湿陷性黄土具有大孔隙、结构性、湿陷性和水敏性等力学与工程性质，与其他岩土材料相比，其特殊性在于其变形强度对水作用的特殊敏感性，即天然低湿度下具有明显高强度和低压缩性的黄土，一旦浸水或增湿时会发生强度骤降和变形突增的特性[1]。研究黄土湿陷变形对建筑物的影响首先要明确黄土湿陷变形的力学特点，苗天德[2]，基于微结构突变失稳假说,深入研究湿陷性黄土的变形机理,将体积湿陷与剪切湿陷统一到同一个突变模式,给出了黄土湿陷变形的一个完整的本构关系，但是所提出的本构关系之后并没有在之后的数值模拟软件中得到应用。张延杰等[3]，通过黄土的三轴剪切试验,基于综合结构势的概念,建立了反映黄土结构性变化、应力应变软化与硬化、剪缩剪胀变形特性的本构模型，并且提出了隧道黄土地基湿陷变形量的计算分析方法。董晓明[4]提出的“密模修正法”，该方法通过改变弹性模量、粘聚力和摩擦角，来模拟黄土湿陷过程，取得了较好的计算成果。
本文依托地铁兰州地铁1号线，基于密模修正理论，对黄土地层自上而下浸水和自下而上浸水两种工况下地表和隧道结构的位移规律进行分析，得出湿陷性黄土隧道施工过程中的注意事项和处治措施，以求为类似工程提供理论参考。
1工程概况
兰州地铁1号线经过东岗镇、西站客运站等存在大量湿陷性黄土；3号线经过的碧桂园坐落在青白石片区，为平山造地后的黄土场地；4号线绕过大青山沿柳沟河经和平镇最终到达定远镇，沿线均分布有大量湿陷性黄土；5号线经过兰州北的黄土丘陵区，分布有大量湿陷性黄土，这些均直接影响到工程设计、施工及运营安全。黄土的湿陷性特性,决定着地基处理方案的合理选择及相关工程措施，严重影响着工程投资与进度。
本文所选区间为东岗站大里程方向区间，湿陷性黄土大面积分布。
2黄土湿陷性工况设计
本文通过对两种工况进行分析，第一种工况即自上而下浸水（地表积水入渗）型，未浸水(Ⅰ0)、杂填土浸水（I1）、黄土状土1浸水（I2）、黄土状土2浸水（Ⅰ3）。由于隧道下伏地基的均匀湿陷会引起隧道衬砌结构产生较大的沉降变形量，属于大变形有限元分析问题，这种基于工程原型建立的模型的大变形往往会导致有限元计算结果不易收敛。
对于第二种工况即自下而上浸水（地下水位抬升）型，未浸水（Ⅱ0）、黄土状土2浸水（Ⅱ1）、黄土状土1浸水（Ⅱ2）、杂填土浸水（Ⅱ3），采取二维网格模型进行计算。两种模型均采用映射网格划分，以下工况模型均用符号代替。重力加速度为离心加速度，方向沿Y轴方向竖直向下。
3数值模拟
3.1模拟软件
本文采用GTS-NX软件进行模拟，通过应力、应变和位移分析，寻求一种判别标准，以便识别潜在的破坏区，并给出基坑稳定性的定量指标，这对于基坑的稳定性的评价和支护设计具有实际意义[5]。
3.2计算参数的确定
根据地质勘探报告资料，兰州地铁东岗站所处位置土质类型为湿陷性黄土。为了便于数值模拟，文中把土层等效为规则的层次，并进行简化[6]。
明确黄土湿陷性对上部地铁结构的影响的计算方法及准确选取各土层的计算参数是评价模型实验是否符合客观实际的必要方法。本文依据地质勘查资料并结合土体的经验值，确定工程现场土材料的内聚力，摩擦角，密度，及泊松比等参数的取值，并采用室内剪切试验验证了参数取值的合理性[7]。
本文土体参数及地铁结构参数取值如下:
3.3计算模型的确定
目前，工程界还没有找到一种适合模拟黄土湿陷变形这一本构关系的数学模型。被岩土界专家学者所熟知的本构模型包括摩尔一库仑模型、德鲁克—普拉格模型、剑桥模型、邓肯一张模型、K-G模型等。这些模型大都适用于粘土或者是砂性土的计算，不能反映湿陷性黄土湿陷变形的特点。
考虑到上述各种常用计算模型的优点与不足，有必要寻求一种修正的计算方法来解决黄土湿陷性的相关计算。本文借鉴“密模修正法”[4]进行黄土湿陷性工况的模拟。
“密模修正法”从分析土体强度三大指标开始考虑:①对变形模量E0、粘聚力c，摩擦角φ同时进行修正;②单独对变形模量E0进行修正;③同时对粘聚力c,摩擦角φ进行修正。其中方法一涉及三个强度指标，在操作过程中需要对黄土浸水湿陷后的所有指标进行试验量测，操作相对复杂;方法三对其中的两个指标进行折减，故又称“折减法”，“折减法”一般应用于基坑稳定分析、边坡稳定分析中;本文主要考虑黄土湿陷后的大变形特点，变形模量对变形影响最大，因此对变形模量E。进行折减。其中围岩采用平面应变单元，初支、二衬采用梁单元，锚杆采用杆单元。
本计算可以将原型简化成平面应变问题进行研究，即可以建立二维计算模型。
图1计算模型网格
3.4基于密模修正法的模拟实现过程
基于GTSNX软件，采用密模修正法得出黄土地基湿陷后的土体参数。
数值模拟主要过程如下：建立模型及参数设置后，进行施工阶段设置，施工阶段主要包括初始地应力分析，此时位移清零，应力不做改变，第二阶段开挖待开挖土体，激活衬砌单元，第三阶段基于GTS-NX修改施工阶段单元属性的功能，修改地铁下部黄土为湿陷后的土体材料。
4结果分析
4.1地表沉降分析
隧道开挖引起的地表沉降曲线如图2、图3所示。地表沉降的大小和沉降槽宽度受到隧道埋深、开挖断面形状和尺寸、围岩物理力学性质、地层条件、地下水和施工条件等因素的影响，从图中可看出，沉降槽宽约55m，沉降量与隧道围岩中线距离呈二次抛物线分布。围岩浸水后对沉降槽的宽度基本不产生影响。
如图2，自上而下浸水（地表积水入渗）型：四种形态的土层最大地表沉降均发生在围岩中线对应的位置，在同一提取位置处I0、I1、I2相对地表沉降量没有变化，I3地表沉降量发生明显变化，其最大沉降量约为I0、I1、I2最大地表沉降量的1.8倍。
图2第一种工况地表沉降
如图3，自下而上浸水（地下水位抬升）型：四种形态的土层最大地表沉降均发生在围岩中线对应的位置，当土层自下而上开始浸水时II1、II2、II3，地表沉降量发生明显变化，其最大沉降量约为未浸水（II0）最大地表沉降量的1.6倍。
图3第二种工况地表沉降
4.2隧道结构变形分析
（1）未浸水时，隧道结构位移分析
由于工况一、二的未浸水情况下实际为相同的工况因此选择任意工况的隧道结构衬砌变形云图作为分析对象，研究双线隧道施工后，隧道结构变形的一般规律。由图4可知，隧道衬砌竖向位移为拱顶沉降拱底隆起，且由于双线隧道施工过程中卸载的相互影响，同一隧道结构的竖向位移值相对轴线呈现非对称分布，且拱底隆起靠近两隧道连线中点一侧较大，拱顶沉降远离中点一侧较大。
图5水平位移云图
（2）浸水时，隧道结构位移分析
从表3、4对比看出，衬砌竖向位移与地表沉降分布规律一致，且两种工况中，浸水结束后，在同一位置处。工况2的竖向位移略小于工况1的竖向位移，说明隧道沉降受地表水影响比地下水要大，因此，雨季施工时应及时排水；同一种工况下右侧隧道竖向位移值略大于左侧隧道竖向位移值，横向位移规律不明显。
5结语
以兰州地铁一号线东岗站为工程背景，采用GTS-NX数值模拟分析区间隧道在黄土地区开挖时的地表沉降和围岩内部位移，研究表明：
（1）地表沉降的大小和沉降槽宽度受到隧道埋深、开挖断面形状和尺寸、围岩物理力学性质、地层条件、地下水和施工条件等因素的影响，降量与隧道围岩中线距离呈二次抛物线分布。围岩浸水后对沉降槽的宽度基本不产生影响。
（2）两种工况下，数值模拟的结果呈现在曲线上基本上时对称的，可以看出，黄土状土在浸水后均产生了较大的沉降，所以在黄土地区施工时一定要注意防水，设置防水层。
（3）由围岩内部竖向位移可得，初衬竖向位移与地表沉降分布规律相差不大，并且在两种工况中，浸水后，在同一位置，工况2的竖向位移小于工况1的竖向位移，说明隧道沉降受地表水影响比地下水大，故雨季施工注意防水和排水；横向位移规律不明显。
总体来说，该文的模拟结果是可信的，可以为类似工程的施工提供参考。
参考文献
[1]谢定义.试论我国黄土力学研究中的若干新趋向[J].岩土工程学报,2001,(1):3-13.
[2]苗天德.湿陷性黄土的变形机理与本构关系[J].岩土工程学报,1999,21(4):383-387.
[3]张延杰，王旭，梁庆国等.湿陷性黄土模型试验相似材料的研制[J].岩石力学与工程学报,2013,32(+2):4019-4024.
[4]董晓明.基于黄土非均匀湿陷变形的桥梁群桩基础承载特性研究[D].西安：长安大学.2013
[5]赵文.地铁车站小导洞开挖数值模拟[J].沈阳建筑大学学报,2010,26卷(5期).
[6]潘昌实.隧道力学数值计算方法[M].北京:中国铁道出版社,1995.
[7]韩冬.黄土湿陷性对既有地铁结构受力影响研究[D].长安大学,2015.46-47.
[8]高大钊.土力学与土力学(第三版)[M].北京:人民交通出版社，2001,86-94.