某節理巖體隧道開挖引起地表沉降離散元數值分析

高 振 光

(山東省建設監理咨詢有限公司，山東 濟南 250001)

地下工程開挖引起周圍巖土體應力發生改變，發展到地表，引起地表沉降。一般認為，隧道開挖引起地表沉降呈現正態分布曲線方式[1-3]。目前，針對隧道開挖引起地表沉降計算方法主要有公式法和數值模擬法。公式法最常用的是peck公式，該公式需要大量的該地區的已知沉降資料，進行參數擬合，確定出計算參數，然后才能夠準確計算出該地區隧道開挖引起地表沉降值。目前主流的數值模擬主要采用基于連續介質理論的數值模擬軟件來進行模擬[4-7]，如Midas，FLAC等，這種基于連續介質的數值模擬軟件進行模擬雖然解決了很多工程實際問題，但同時也存在一些問題，特別是遇到節理巖體，很難進行準確計算。本文主要采用UDEC這種離散元數值模擬軟件，針對節理巖體淺埋隧道開挖引起地表沉降進行模擬，為相關工程提供技術參考。

1 工程概況

該隧道為公路隧道，本研究針對隧道300 m(ZK1+810～ZK2+110)長的區間段開展研究，洞周寬14.4 m，為單向三車道，該公路隧道設計時速80 km/h；橫斷面設計參數見圖1。

區間段所需工程材料見表1。

表1 工程所需要的工程材料表

經過地質勘察可知，ZK1+810～ZK2+110研究區間段圍巖級別為Ⅱ級，該圍巖所需支護類型和參數見表2，隧道埋深18 m～26 m，隧道深度開挖范圍內，主要為基巖裂隙水。

2 數值模擬

2.1 模型的建立

采用UDEC數值模擬軟件進行建模。模擬時，采用Mohr-Coulomb準則，進行全斷面法開挖。模型取隧道K1+810斷面作為試驗研究斷面。隧道橫斷面如圖1所示，模型橫向取70 m，高50 m，拱頂到地面高度為25.17 m，模型厚1 m。巖體中存在兩組節理，節理跡長為5 m，節理間距為2 m，一組節理傾角為73°，另一組節理傾角為60°，模型如圖2所示。

表2 支護類型及結構襯砌參數表

依據地勘資料以及現場對斷面上的節理素描，模型中巖體參數如表3所示。

表3 巖層變形與強度參數

2.2 節理巖體淺埋隧道開挖引起地表沉降特征分析

通過對2.1節所建模型進行全斷面開挖，模擬結果如圖3所示，地表沉降曲線如圖4所示。沉降特征分析：

1)節理巖體淺埋隧道開挖引起地表沉降曲線呈現偏態性，而非正態分布曲線；地表沉降最大值并不在隧道中心線上，而是偏向一側；

2)地表沉降橫向影響范圍并不是以隧道中心線為對稱分布，傾角較大一側影響范圍小，但是受沉降影響劇烈；傾角較小一側影響范圍大，但是受沉降影響相對平緩；

3)節理巖體隧道開挖變形首先由巖體節理弱面產生滑移，并不斷向上方地表傳遞，假設2組節理變形與強度力學參數相同，則這種變形傳遞過程中節理傾角、節理間距以及節理跡長對地表沉降偏態性起主要作用。

3 結語

節理巖體隧道開挖引起地表沉降采用離散元進行模擬很好地得到地表沉降非正態性的特征。通過UDEC離散元模擬和現場監測對比得出，節理巖體淺埋隧道開挖引起地表沉降曲線呈現偏態性，節理巖體隧道開挖變形由巖體節理弱面產生滑移，并不斷傳遞到地表。