山西某高速公路隧道地表沉降的檢測和數值分析

崔 紅 虎

(太原市市政公用工程質量監督站，山西 太原 030002)

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山西某高速公路隧道地表沉降的檢測和數值分析

崔 紅 虎

(太原市市政公用工程質量監督站，山西 太原 030002)

現場監測了山西省某高速公路隧道開挖過程的地表沉降數據，并將其與有限元計算分析的地表沉降數據作了對比，得到的數值計算結果與實測結果吻合良好，指出影響地表沉降的主要因素是圍巖的力學參數和重力分布，為施工過程中需要采取加固的點提供了依據。

高速公路，隧道，地表沉降，現場檢測，數值分析

當今社會，隨著我國綜合國力的提升，中國作為全球第二大經濟體，交通運輸成為中國經濟建設中不可缺少的一環，勢必也對我國交通運輸體系提出了更高的要求，高速公路的建設更需要大力的發展。在施工過程中，高速公路不可避免地需要穿過隧道和地質結構比較松軟的區段，在這種情況下道路不可避免會出現沉降以及地下隧道的開采沉降[1-3]。山西省屬于黃土高原地區，整體地質比較松軟，地質堅硬的地方相對較少；并且有些高速公路和鐵路修建在一些老礦區和新礦區的待采區范圍內，因此在修建高速公路的時候勢必會考慮地質的沉降和隧道開挖過程中的開采沉降問題。如山西的石太高速公路、晉焦高速公路、天子廟隧道，許多公路隧道段需要跨越很大范圍的采空影響區[4,5]。

高速公路隧道具有斷面的面積大、隧道的長度長的特征，且公路隧道一般所處的自然環境條件復雜多變，山西省屬于黃土高原地區，整體地質比較松軟，地質堅硬的地方相對較少，不良地質條件給隧道施工帶來了很大的危險性和多變性，在施工過程中極易引起隧道上方巖石的崩塌和透水事故。由于天然巖石結構在自然演變的過程中存在孔洞和裂紋等缺陷，不僅體現在宏觀上也體現在微觀上，有些空洞和裂紋在外力作用下極有可能會產生應力集中和裂紋擴展，所以高速公路隧道在修建過程不可避免會產生大量的人工擾動，加之巖體結構的密實度很低，這些擾動和巖石特性都會給隧道施工帶來很危險的后果。同時在工程完工之后，隧道在使用過程中也會產生各種外界載荷作用，其中包括路基載荷、車輛行駛載荷、自然擾動等外力作用。隧道上方的巖石可能在這樣的載荷作用下，原來處于隨遇平衡的巖石結構發生局部密實現象，最終導致隧道地表發生沉降。地表沉降在工程中是不可避免的，但是需要根據施工情況將其控制在一定的范圍之內，如果隧道地表沉降值超過臨界沉降值，那么這種情況在技術上給工程建設者帶來了極大的挑戰，也可能會伴隨突發的、嚴重的安全事故[6,7]。因此高速公路隧道的地表沉降及如何控制地表沉降成為廣大研究者的一個重要研究課題。國內外許多學者對公路隧道在施工過程中的隧道地表沉降問題以及隧道地表沉降帶來的其他的力學特征進行了研究，但是由于不同地質條件和施工參數的變化，使得研究結果無法通用。由于高速公路在施工過程中引起的地面沉陷會導致地面局部的應力集中和大變形，這對隧道正常使用產生很大的影響，因此開展高速公路隧道地表沉降的研究對未來高速公路的選線、修建及安全使用具有重要的意義。本文通過對山西省某高速公路隧道的開挖過程的地表沉降的現場監測，以及通過與有限元計算軟件分析地表沉降數據進行對比分析，得到影響地表沉降的主要因素。通過對公路隧道施工現場地表沉降的監測得到有關地表沉降的具體數據，為后續工程的設計與施工提供參考。

1 公路隧道地表沉降的監測

本文研究的山西某高速公路隧道屬于上行線和下行線通過巖層分離的雙向四車道隧道。隧道圍巖屬于Ⅲ類～Ⅳ類圍巖，中上部圍巖為凝灰質砂巖及含煤地層，下部為細砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖，底部為礫巖，含礫粗砂巖，圍巖表層為粘土及粘土和碎石混合物。隧道邊界凈寬12.34 m，凈高6.2 m，凈空面積為64.34 m2，最大埋深40 m，整體結構為三心近似圓。該高速公路隧道采用新奧法施工，Ⅲ類圍巖采用雙臺階法施工，上臺階采用的是面內爆破，下臺階采用的是預裂爆破，開挖后并分別施工初期支護結構，Ⅳ類采用全斷面法施工。分別將41個監測點布設在該高速公路段兩側，共進行為期30 d的監測周期，在隧道橫截面上共布置3個地表變形測斜孔。圖1為監測點橫斷面示意圖，隧道中線上方布置1個監測點，其他40個監測點分別向兩邊分布，分布規律一般是在隧道中線附近位置的測點應布置密集，越遠離隧道中線，測點的布置位置越稀疏。監測點所處的斷面必須是閉合斷面，且閉合差需要滿足公路隧道施工的相應規范。

圖2給出了K215+124處的5處地表橫斷面及隧道中心線測點的沉降曲線。隨著時間的延長，隧道地表的沉降值逐漸增大，K215+124斷面D35點沉降最大，為14.5 mm；該點位于隧道中線位置，整體沉降值從中心向兩側逐漸減小。

2 地表沉降變形有限元計算

2.1 高速公路隧道有限元模型

基于對高速公路隧道地表橫斷面及隧道中心線測點的沉陷測量，本文通過采用有限元軟件ANSYS對高速公路隧道地表沉陷進行數值模擬。該高速公路隧道采用新奧法施工，Ⅲ類圍巖采用雙臺階法施工，上臺階采用的是面內爆破，下臺階采用的是預裂爆破，開挖后并分別施工初期支護結構，Ⅳ類采用全斷面法施工。該高速公路隧道埋深為40 m，屬于淺埋式隧道，隧道全長500 m，對于有限元模型取拱頂半徑R=6.1 m,洞高H=6.2 m，寬度B=12.34 m，水平方向左右各取38.83 m，隧道底部以下取43.8 m。隧道圍巖屬于Ⅲ類～Ⅳ類圍巖，采用新奧法施工，圍巖采用雙臺階法施工，上臺階采用的是面內爆破，下臺階采用的是預裂爆破，開挖后并分別施工初期支護結構，所以先取開挖長度為10 m。根據實際中公路隧道的設計規格，建立的隧道模型范圍根據彈塑性理論影響范圍選取[8,9]，取不小于3倍～5倍的隧道直徑B。對于該模型尺寸設置為長度為90 m(x軸)，寬度為60 m(y軸)，深度為70 m(z軸)，上部覆土層厚度為10 m。

巖石定義為實體單元，錨桿定義為固定于巖體內的桿單元，長度為6 m，忽略鋼筋網及縱向連接筋的建模，對于施工中隧道表面的混凝土噴涂層可以簡化定義為殼單元，厚度為0.65 m。圖3為高速公路隧道的有限元模型，該有限元模型的邊界條件采用接近實際情況的設定，隧道上層巖石表層設定為自由邊界；兩側圍巖邊界分別受到x軸方向的位移約束，隧道的圍巖下部邊界受到y軸方向的位移約束，前后邊界受到z方向的位移約束。本文考慮自重產生的初始豎直應力場，設定重力加速度為9.806 65 m/s2。對于水平初始應力場的選取一般為初始豎直應力場的0.9倍。

表1給出了高速公路隧道有限元模型的材料參數。其中混凝土噴涂層的材料屬性采用線彈性模型，圍巖的屈服準則Druker-Prager準則(D-P準則)，其中考慮了巖石的粘聚力和內摩擦角，其本構采用非線性、各向同性模型，并考慮巖體的彈塑性及大變形，加固的錨桿采用彈塑性的材料模型。

表1 高速公路隧道模型的材料參數

2.2 有限元計算和實測數據的對比

在實際施工過程中，隧道圍巖沉降是一個復雜的綜合作用的

過程，其中包含的因素有巖石的自然演化，圍巖在開挖過程的人工的擾動，自然的微小地震作用等，在現場檢測都可以測量到，表2給出了有限元計算結果和實測數據的對比分析，根據結果分析，有限元分析與實測數據吻合較好，計算值的結果和實測數據的誤差控制在15%以內，這在工程應用中是可取的，且有限元結果都比實測數據結果要偏小，說明還有其他因素對地表沉降有影響，但是根據誤差分析來看這些因素對地表沉降的影響很小，因此隧道開挖過程中，影響地表沉降的主要因素是圍巖的力學參數和重力分布。

表2 K215+124處地表橫斷面沉降的有限元結果和實測數據對比表

3 結語

本文通過對山西省某高速公路隧道的開挖過程的地表沉降的現場監測，以及通過與有限元計算軟件分析地表沉降數據進行對比分析，得到了數值計算結果與實測結果吻合良好，影響地表沉降的主要因素是圍巖的力學參數和重力分布。通過對公路隧道施工現場地表沉降的監測可以得到有關地表沉降的具體數據，該數據可為施工過程中需要采取加固的點提供依據。通過有限元計算可以準確預測未施工斷面的地表沉降情況，為后續工程的設計與施工提供參考。

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[4] 王生俊,賈學民,韓文峰,等.高速公路下伏采空區剩余沉降量FLAC-3D計算方法[J].巖石力學與工程學報,2005,24(19):3545-3550.

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On test and numeric analysis of surface settlement of a expressway tunnels in Shanxi

Cui Honghu

(TaiyuanMunicipalPublicEngineeringQualityInspectionStation,Taiyuan030002,China)

The paper undertakes the site inspection over the surface settlement in the excavation along some expressway tunnel in Shanxi province, has the comparison with the data from the surface settlement ones with the finite element analysis, concludes the consistency of the numeric calculation and the tested results, and points out the major factors affecting the surface settlement are the dynamic parameter and gravity distribution of the surrounding rocks, so as to provide some reference for the consolidation points in the construction.

expressway, tunnel, surface settlement, site test, numeric analysis

1009-6825(2016)32-0194-02

2016-09-02

崔紅虎(1982- )，男，工程師

U452.11

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