圍巖性質對黃土淺埋隧道地表變形影響研究

丁點點

（宿州學院 資源與土木工程學院，安徽 宿州234000）

0 引言

對于淺埋及軟土隧道，施工方法主要有：明挖法與淺埋暗挖法、地下連續墻法、蓋挖法及盾構法[1~3]。采用暗挖法進行隧道施工時，隧道開挖會對周圍巖土體產生較大擾動，無論是采用新奧法、盾構法，抑或是其他施工方法，都會引起巖土體在開挖空間內的運動。隧道的實際施工過程中，開挖前巖土體的體積與竣工時隧道體積之差稱之為地層損失，周圍巖土體為了彌補地層損失，引起相應的地層運動、巖土體及地表發生移動及變形[4，5]。對于地層中含水量較少或無水的情況，地表移動與變形可認為是由于隧道施工過程引起的地層損失造成的。

隧道施工引起的地表移動與變形問題的研究源于對礦山巷道上方地表沉降現象的分析，對此，國內外的學者們開展了大量的研究工作[6~10]。本文通過對《國家高速公路網規劃》中規劃的“第四橫”山西省境內鴛鴦會隧道進行數值計算，來探討圍巖性質對黃土隧道地表的影響，以期指導隧道安全施工，提高工程風險防范能力，對于減少開挖對地面和地下工程的影響以及保護地表環境具有十分重要的意義。

1 有限元模擬

有限元分析法已廣泛應用于巖土與結構工程分析領域。它的原理是把一個具體的連續體或結構用一種近似等價物理模型來代替，該模型由多個彼此相關的單元體所組成，基于連續體及結構力學的基本原理和單元體的物理特性建立能夠表征力與位移關系的方程組[11，2]。

隧道開挖過程的有限元模擬利用在開挖邊界施加釋放載荷來實現。我們稱一個相對完整的施工階段為施工步，每一個施工步又包含了若干個增量步，因此，與施工步驟相對應的開挖釋放載荷就可以在其增量步中依次釋放，這樣便可以相對真實地模擬隧道的施工過程。在具體的計算過程中，每一個增量步釋放的載荷量由相應的釋放系數控制。

2 圍巖性質對隧道地表變形的影響分析

以下取三種分不同性質的圍巖：粉土、粉質黏土和強風化巖層進行工況分析，通過改變隧道圍巖的力學參數，進而分析隧道開挖過程中不同的圍巖力學參數對地表沉降的影響程度。圍巖物理力學參數如表1所示。

表1 圍巖物理力學參數表

隧道開挖采用環形留核心土法，開挖進尺為2 m，建立如圖1數值模擬分析模型，采用三心圓（曲墻半圓拱形）斷面，拱半徑5.70 m，曲墻半徑8.20 m，上覆巖層厚度為30 m。

圖1 隧道有限元三維網格模型

隧道分別上覆三種巖土體開挖后的圍巖沉降等值線圖對應圖2（a）~圖2（f）。從圖中可以看到，圍巖性質差，對應的強度和自承能力小，圍巖松動圈會向外擴展，同時隧道拱頂下沉和凈空收斂值較大。而隨著圍巖性質的提高，因隧道開挖引起的位移變形會明顯變小，影響的范圍也縮小。

圖2 不同圍巖隧道施工圍巖沉降等值線云圖

三種不同圍巖對應的控制點①、②、③、④處的位移如表2、表3所示。

表2 不同圍巖性質對隧道左線位移影響 mm

表3 不同圍巖性質對隧道右線位移影響 mm

三種不同的圍巖對應三種不同的工況，將每個控制點位移進行對比分析，以粉土為基準，隧道左線中軸線正上方地表豎向位移粉質黏土比粉土降低28%，右線降低9.6%；左線強風化巖層比粉土降低96%，右線降低93.4%。隧道左線拱頂粉質黏土下沉量比粉土下沉量降低54.5%，右線降低16.5%；左線強風化巖層比粉土降低95.3%，右線降低91.6%。隧道左線拱底處粉質黏土豎向位移比粉土豎向位移降低55.9%，右線降低12.2%；左線強風化巖層比粉土降低91.2%，右線降低86%。隧道左線拱腰處粉質黏土水平位移比粉土的水平位移降低36.8%，右線降低16.1%；左線強風化巖層比粉土降低61.8%，右線降低54.4%。由此可見，隧道的圍巖力學參數對隧道拱頂下沉、凈空收斂、拱腰位移及地表豎向位移均有很大的影響，圍巖力學性質越高，對應的隧道拱頂下沉、凈空收斂、拱腰位移及地表豎向位移值越小。

3 結論

（1）隧道的圍巖力學參數對隧道拱頂下沉、凈空收斂、拱腰位移及地表豎向位移均有很大的影響，圍巖力學性質越高，對應的隧道拱頂下沉、凈空收斂、拱腰位移及地表豎向位移值越小。

（2）隧道上覆圍巖性質越好，地表變形受開挖擾動的影響就越小，洞周圍巖的變形也越小，因而根據圍巖的性質，現場應該選取合理的支護措施和支護時間，在圍巖能夠充分發揮其自承能力的情況下進行初支，使二者充分發揮各自的作用。