隧道開挖引起上覆巖體移動變形分析及控制措施研究

熊遠勛，李紹聰，李小剛，楊興偉，冉華，李金磊

(云南交投集團公路建設有限公司，云南 昆明 650118)

隧道越長，其穿越不同地質地貌的單元越多，常會碰到不良地質體、破碎帶等。隧道穿越淺埋段時，由于開挖擾動和開挖形成的三帶直接連通地表，稍有不慎，將引起上覆巖體移動和變形，甚至引起隧道塌方和失穩。因此，研究隧道上覆巖體的移動變形規律對控制其移動有著十分重要的意義。該文以跨度為18 m的淺埋大斷面泥巖隧道為工程背景，通過理論分析隧道開挖引起上覆圍巖移動機理，利用數值分析方法分析不同施工工法和施工錯距下上覆圍巖的位移變形規律，據此提出控制上覆巖體變形的措施，為類似工程提供參考。

1 開挖引起上覆巖體的移動變形機理

從微觀角度思考，將一次隧道開挖量分解為無限多個1×1×1的單元體，即將復雜的巖土體運動分解為無限多個單元體的運動，應用隨機介質理論分析巖土體總的運動趨勢，即將隧道開挖對上覆巖體的影響等效為無限多個微分單元開挖影響的總和(見圖1)。

圖1 單元開挖示意圖

1.1 單元開挖引起的上覆巖體移動規律

根據隨機介質理論，將因單元開挖引起的上覆巖體的豎向位移形成的沉降槽定義為單元沉降槽，該方向的運動是一個概率事件，當隧道開挖量足夠大時，上覆巖體會發生豎向位移。同時引入時間效應，從單元體開挖時刻算起，經過時間t后，由單位巖體開挖引起的豎向坐標點的沉降為：

We(X,Y,Z,t)=

(1)

式中：r(Z)為單位巖體開挖在豎直方向的影響半徑，r(Z)=Z/tanβ；β為引起上覆巖體運動的主要影響角；C為豎向位移速度系數。

單位巖體開挖引起隧道上覆巖體豎向位移的同時，還會引起水平位移。通過柱坐標系，引入應變量，得出X、Y方向的分量UeX、UeY如下：

(2)

單位開挖引起上覆巖體在某點地層的最大水平移動為：

Uemax(X,Y,Z,t)=

(3)

1.2 隧道開挖引起的上覆巖體移動

隧道開挖破壞了巖體原來的應力平衡，導致應力重新分布，其最直觀的結果就是上覆巖體移動，并由隧道拱頂向上發育至地表。對于圓形、橢圓形和矩形斷面，設開挖斷面為Ω，開挖斷面最終為ω(見圖2)。根據疊加原理，最終地表下沉量為開挖范圍Ω引起的下沉減去收縮范圍ω引起的沉降，即：

W(X)=WΩ(X)-Wω(X)=

(4)

圖2 隧道任意橫斷面開挖示意圖

為計算方便，將式(4)通過二重積分換元法轉換到極坐標系中：

[X-(X1+rcosθ)]2}rdrdθ

(5)

式(5)中相關變換公式為：

ε=X1+rcosθ，η=Z1-rsinθ

同理，對隧道開挖引起的上覆巖體的水平位移求解，可得：

rcosθ)]2}rdrdθ

2 數值模擬分析

2.1 模型建立

根據地質勘察及設計資料，選取隧道進口淺埋段K0+775—835為研究對象。考慮模型邊界影響，根據圣維南原理，模型上表面取至地表，設為自由邊界，向下取至隧道底部54 m即3倍洞跨處，設為固定邊界，限制其垂直位移和水平位移；隧道左右幅外邊界取3倍洞跨，模型側面為位移邊界，限制水平位移。模型高82 m，寬144 m，縱向長度為72 m，隧道埋深為20 m，左右幅隧道凈距為12 m，錨固范圍為3 m，以2 m為一個循環。模型采用理想彈塑性模型、Mohr-Coulomb強度準則。數值模型見圖3，材料的物理力學參數見表1。

圖3 數值計算模型

表1 材料的物理力學參數

2.2 施工順序及左右幅隧道錯距分析

通過FLAC3D數值分析研究隧道采用預留核心土法、上下臺階法，在左右幅錯距為0、0.5B、1B和2B(B為隧道洞徑)下施工時上覆巖體豎向和水平方向的移動規律。

2.3 上覆巖體豎向位移

在不同施工錯距下采用上述兩種開挖方法時上覆巖體豎向位移見圖4。由圖4可知：上覆巖體豎向位移一般發生在隧道左幅左邊墻至右幅右邊墻正上方直至地表的區域，施工過程中應加強這一區域的超前支護和變形監測。左右幅隧道施工錯距較小時，上覆巖體的豎向位移會相互疊加，沉降量急速增大。隨著左右幅隧道施工錯距的增大，由開挖引起的上覆巖體沉降量逐漸減小；錯距為1B時，沉降量大幅下降；錯距為2B時，相較于錯距為1B時沉降量并未明顯減小。由此推斷左右幅隧道施工錯距為1倍洞距時相互擾動影響較小，能較有效地控制上覆巖體的移動。可選取施工步驟最簡單的施工方法，即上下臺階開挖法，以減少工期。

圖4 開挖方法和施工錯距與上覆巖體豎向位移的關系

2.4 上覆巖體水平位移

不同開挖方法和施工錯距下上覆巖體水平位移見圖5。由圖5可知：在相同施工錯距下，采用預留核心土法和臺階法施工時，上覆巖體最大水平位移區域為左右幅隧道拱腰部位。若施工不當，該區域易產生應力集中，進而引起巖體變形，使上層巖柱產生拉伸變形。隨著左右幅隧道施工錯距的增大，水平位移逐漸減小。施工錯距為1B～2B時，采用預留核心土法、臺階法施工時左右幅拱腰圍巖的最大收斂量分別為13、15 mm，都能滿足隧道施工圍巖控制要求。

圖5 開挖方法和施工錯距與上覆巖體水平位移的關系

2.5 上覆巖體彎曲規律

采用預留核心土法、臺階法開挖時，不同施工錯距下上覆巖體的沉降見圖6(其中監測點布置見圖7)。由圖6可知：左右隧道施工錯距越小，沉降槽越深，彎曲曲率越大，上覆巖體越不穩定。錯距大于1倍洞距時，無論采取哪種開挖方法，沉降槽彎曲率都較小，可認為施工錯距超過1倍洞距時有利于上覆巖體的穩定。施工方法不同、施工錯距相同時，當左右幅隧道施工錯距大于1倍洞距時，選取施工步驟較簡單的臺階法施工，既有利于隧道的穩定，又可提高施工效率。

圖6 開挖方法和施工錯距與上覆巖體沉降的關系

3 隧道開挖監控量測分析

3.1 監測方案

為準確把握隧道圍巖的穩定狀態，同時為修正開挖方法、初期支護參數、二次襯砌仰拱施作時間提供依據，在隧道洞內外埋設監測點(見圖7、圖8)，對施工中地表和洞內變形進行監測。

圖8 隧道洞內監測點布置

3.2 臺階法平行施工監測數據分析

在平行施工的段落布置洞內和地表沉降監測點，對平行施工過程中巖體變形進行監測。如圖9、圖10所示，隧道進口監測斷面K0+780的拱頂沉降和地表沉降的累計量均超過控制值，上覆巖體的豎向和橫向位移都較大，而上覆巖體的運動速率和彎曲曲率仍在增加。結合數值分析和監控量測數據分析，造成洞內變形和地表沉降過大的原因是隧道斷面大，左右幅隧道平行施工，應力與變形疊加，應力向左右幅隧道掌子面集中，對中間巖柱產生較大拉伸變形，引起上覆巖體變形過大，隧道處于極不穩定狀態。左右幅隧道平行施工不利于上覆巖體的穩定，隧道開挖中應盡量避免平行施工。

圖9 K0+780洞內監測點位移-時間關系曲線

圖10 K0+780斷面上覆巖體位移-時間關系曲線

3.3 臺階法錯距施工監測數據分析

根據數值模擬結果，施工錯距為1B及以上時，隧道施工相互擾動影響小。以監測斷面K0+800為例，隧道洞內監測點位移見圖11，1B和2B施工錯距下隧道地表沉降見圖12。由圖11、圖12可知：左右洞施工錯距超過1B時，采用臺階法施工，可有效控制上覆巖體的移動變形。

圖11 K0+800洞內監測點位移-時間關系曲線

圖12 K0+800斷面上覆巖體位移-時間關系曲線

4 結論

(1) 淺埋大斷面公路隧道開挖引起的上覆巖體豎向位移和荷載變形在隧道拱部變化最大，最大水平位移發生在左右幅隧道拱腰處，掌子面前方開挖擾動范圍最大為0～1B，相應區域應加強超前支護、監控量測，減小開挖擾動強度和擾動頻率，提高巖體的穩定性。

(2) 在一定條件下，臺階法施工由于工序少、速度快、應力擾動小等優點，在控制地表沉降和洞內變形中具有明顯優勢。

(3) 隧道左右幅開挖錯距為1倍洞距及以上時，可有效減小互相擾動的影響。選用臺階法施工既可有效控制上覆巖體的移動變形，又可加快施工速度。