淺埋隧道拱頂土石混合體圍巖沉降預測

黃建陽，彭澤宇，楊紅運，張國嬌*，陸原恩，李海斌

(1.中交第三航務工程局有限公司，上海 200032；2.重慶交通大學省部共建山區橋梁及隧道工程國家重點實驗室，重慶 400074；3.廣西新發展交通集團有限公司，南寧 530029)

一般情況下，隧道洞口所處的位置，大多數都是屬于風化土層，但是又不完全是土，里面還含有未完全風化的巖石。這些大小不一的巖石，加上風化的表層土，形成了較差隧道圍巖地質條件，對于隧道開挖沉降具有重要的影響。這類土與石混合的巖體，稱為土石混合體[1]。由于其不均勻、非連續的結構特點，其力學性質也不同于巖石。針對這類巖體，楊小彬等[2]利用有限元軟件ABAQUS進行解算分析，認為土石混合體強度和穩定性隨粒徑增大而呈現先減小后增大的趨勢。陶慶東[3]基于三大軸實驗的土石混合體強度特性分析了其影響因素，認為影響內摩擦角的最大因素是含石量。林錦騰等[4]采用數值模擬和現場監測的手段對淺埋隧道在開挖條件下的圍巖的變形進行分析，得出了淺埋隧道開挖過程中隧道的變形規律。文獻[5-7]分析認為，當巖石含量較低時，塊石之間距離大，難以發生相互作用，碎石幾乎不會影響宏觀變形特征，此時強度主要取決于土體；增大巖石含量時，混合體中塊石之間的距離更小，相互接觸更加緊密，碎石之間的相互摩擦與咬合程度直接決定土石混合體的宏觀力學強度。

目前針對淺埋隧道圍巖軟弱土石混合體問題，學者們開展了大量研究，但其采用理論和連續介質數值分析方法研究具有較大局限性，同時由于實驗條件限制，分析影響因素和工況相對較少，另外對淺埋隧道拱頂土石混合體圍巖的研究較少。為此，以紅崖山隧道為工程背景，采用連續-非連續數值模擬實驗方法分析多工況條件拱頂沉降的影響因素，并結合現場檢測數據進行對比分析，給出了拱頂沉降值預測范圍，驗證了該拱頂沉降值預測的適用性，對土石混合體圍巖洞口段施工沉降預測進行了有力的探索。

1 計算模型

1.1 模型的實現

由于要綜合研究土體和巖石的性質，不能簡單將其等效為均一的巖體，一般的有限元軟件很難開展相關模擬計算。選用中國科學力院研究所和北京極道成然科技有限公司聯合開發的GDEM(global digital elevation model)力學分析軟件開展研究。GDEM在塊體內部使用連續本構，塊體邊界使用非連續本構；塊體間的非連續變形主要通過彈簧來實現，通過彈簧的斷裂來模型材料的開裂、滑移等。

1.2 模型的建立

數值計算采用地層結構法，為便于計算采用如下假設：①本次計算選用二維計算模型研究；②假定土層、巖層、巖石塊為均質且各項同性的介質，巖土體本構模型選用Mohr-Coulomb準則；③初始應力場僅由自重應力場產生不考慮構造應力場和其他應力場，不考慮地下水；隧道無偏壓。

選取數值計算模型，隧道內輪廓為三心圓，其半徑分別為：R1=5.2 m、R2=8.5 m、R3=1 m，仰拱半徑16 m。在地層結構法模型中，由圣維南邊界條件，一般只需考慮3～5倍洞徑圍巖變化情況，采用GDEM軟件建立二維模型，由于研究隧道洞口的淺埋段，這里是二維模型，考慮拱頂沉降時，只考慮豎直方向的力，水平方向的力影響很小，故模型尺寸取120 m×80 m。兩側邊界施加水平約束，底部施加豎直約束，網格劃分采用四邊形模型。模擬時把二次襯砌作為安全儲備，計算中不考慮其作用。圍巖與支護均采用實體二維單元模擬；圍巖采用摩爾庫倫材料，初期支護和二次襯砌為彈性材料，超前支護的作用可根據相關文獻提高超前支護區的圍巖級別來體現[8-10]，支護參數如表1所示。

表1 隧道支護參數

采用正臺階環形開挖[11-12]如圖1所示。建立的隧道模型如圖2所示，其中隧道處在土石混合圍巖中，隧道下方為巖層。

1～5為隧道開挖順序

藍色為基巖；紅棕色為土；綠色為超前支護；彩色小塊為不同粒徑的巖石塊

如圖2所示，隧道所處為土石混合圍巖層，下方為巖層，彩色的小塊為粒徑不同的巖石塊，將研究巖石塊的含量(巖石塊個數)和巖石粒徑來研究其對拱頂沉降的影響，從而得出拱頂沉降的預測范圍。

1.3 巖土體參數選擇

采用常見的“黏土層+巖石塊”的土石混合圍巖模型，黏土層的參數取表2中的3種，巖石塊參數固定，土質混合圍巖采用黏土層所屬于的圍巖等級來命名。如土層為Ⅳ3級黏質土，那么該土質混合圍巖就叫做Ⅳ3級土石混合圍巖。采用控制變量法研究各個因素對于沉降的影響，最后得出各種模擬情況下的拱頂沉降的范圍。計算3種工況的土石混合圍巖，如表2所示。

表2 計算工況

土石混合圍巖的參數按照表2取得，參數由好到差依次取3種，隨著黏土體參數的改變，巖石塊參數隨著改變。由于考慮的是洞口淺埋段的情況，所以埋深取10、20、30 m。

2 模擬計算

2.1 10 m埋深計算結果

由于巖石塊體產生的隨機性，可能會使得沉降值不準確，盡量選取巖石分布較均勻的情況計算，這里采取計算3次，取得平均值的結果，保證模擬計算的結果的準確性與代表性，根據不同工況采取的變量可分為以下3種情況。

(1)巖石粒徑0.1～0.2 m固定，用巖石塊個數來表示這里巖石塊含量，取巖石塊個數0、100、200、300、400、500、600、700、800、900和1 000作為變量。3種工況模擬結果如圖3所示。

巖石最小粒徑0.1 m，最大粒徑0.2 m

分析可知,埋深10 m時，隨著巖石塊數(巖石含量)的增加隧道開挖產生的拱頂沉降值逐漸減小，當巖石塊數從0增加到1 000塊時，拱頂沉降基本呈線性關系逐漸減小，工況1拱頂沉降從40.8 mm減少到34.31 mm，減少了6.49 mm，減少量量達到了15.91%；同樣，工況2減少量為27.22%；工況3減少量為21.02%。

另外，工況1～工況3，試驗采用的土和巖石參數逐漸變差，拱頂沉降也明顯增大。

(2)巖石含量選用500塊巖石個數固定，最小粒徑選用0.1 m固定，因為巖石塊太少，可能會出現某些地方巖石分布過于稀疏，對拱頂沉降影響不明顯，過多會導致巖石過于密集，影響結果的準確性，同時選取最大粒徑0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 m作為變量，3種工況模擬結果如圖4所示。

巖石塊個數500，最小粒徑0.1 m

分析可知，埋深10 m時，隨著最大粒徑的增大，拱頂沉降逐漸減小，當最大粒徑從0.15 m增加到0.4 m，增加了167%，工況1拱頂沉降從38.36 mm降低到了30.62 mm，減少了20.18%，工況2減少了21.96%，工況3減少了16.51%，且隨著最大粒徑的增大，拱頂沉降減少的速度越來越快。

另外，由于工況1～工況3中土和巖石參數逐漸變差，拱頂沉降也明顯增大。

(3)巖石含量選用500塊巖石個數固定，最大粒徑選用0.3 m固定，選取最小粒徑0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 m作為變量，3種工況模擬結果如圖5所示。

巖石塊個數500，最大粒徑0.3 m

分析可知，埋深10 m時，最小粒徑從0.05 m增加到0.25 m，增加了400%，工況1拱頂沉降從36.99 mm降低到了28.15 mm，減少了23.9%工況2減少16.73%，工況3減少14.26%。且隨著最小粒徑的增大，拱頂沉降減少的速度越來越快。

另外，在工況1～工況3的土和巖石參數逐漸變差的情況下，拱頂沉降量有明顯的增大。

2.2 20 m埋深計算結果

隧道20 m埋深的時候，根據不同工況采取的變量可分為以下3種情況。

(1)巖石粒徑0.1～0.2 m固定，用巖石塊個數來表示這里巖石塊含量，取巖石塊個數0、200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600塊巖石個數作為變量。3種工況模擬結果如圖6所示。

巖石最小粒徑0.1 m，最大粒徑0.2 m

分析可知，埋深20 m時，隨著巖石塊數的增加隧道開挖產生的拱頂沉降逐漸減小，工況1當巖石塊數從0增加到1 600塊時，拱頂沉降83.4 mm減少到65.14 mm，減少了18.26 mm減少量達到了21.89%，工況2減小22.34%，工況3減少19.20%。

另外，工況1～工況3采用不同的土和巖石進行試驗，且其巖石參數逐漸變差，顯然隨著土質的變差，拱頂沉降明顯增大。

(2)巖石含量選用800塊巖石個數固定，最小粒徑選用0.1 m固定，選取最大粒徑0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 m作為變量，3種工況模擬結果如圖7所示。

巖石塊個數800，最小粒徑0.1 m

分析可知，埋深20 m時，隨著巖石塊最大粒徑的增大，拱頂沉降逐漸減小，減小的速度越來越來越快，這種變化可以從折線圖的斜率看出，工況1中當最大粒徑從0.15 m增加到0.4 m，增加了0.25 m，拱頂沉降從76.93 mm降低到了58.95 mm，減小了17.98 mm，減少了23.37%，工況2減少了18.21%，工況3減少了19.92%。

另外，工況1～工況3，巖石參數逐漸變差，拱頂沉降量明顯增加。

(3)巖石含量選用800塊巖石個數固定，最大粒徑選用0.3 m固定，選取最小粒徑0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 m作為變量，3種工況模擬結果如圖8所示。

巖石塊個數800，最小粒徑0.3 m

分析可知，埋深20 m時，當最小粒徑從0.05 m增加到0.25 m，增加了0.2 m，工況1拱頂沉降從69.76 mm降低到了57.99 mm，減小了11.77 mm，減少了16.87%，工況2減少了17.02%，工況3減少了17.03%。

另外，工況1～工況3土和巖石逐漸變差，顯然隨著土質的變差，拱頂沉降量明顯增大。

2.3 30 m埋深計算結果

30 m埋深土石混圍巖層采取與20 m埋深土石混合圍巖層相比，增加了巖石塊個數1 800塊和2 000塊這兩個變量，同時改變粒徑時候固定巖石塊數為1 000塊，這是考慮到土層變厚，可以適當增加巖石塊數，根據不同工況采取的變量可分為以下3種情況。

(1)巖石粒徑0.1～0.2 m固定，用巖石塊個數來表示這里巖石塊含量，取巖石塊個數作為變量，3種工況模擬結果如圖9所示。

巖石最小粒徑0.1 m，最小粒徑0.2 m

30 m埋深時，隨著巖石塊數(巖石含量)的增加隧道開挖產生的拱頂沉降逐漸減小，工況1當巖石塊數從0增加到2 000塊時，從最開始的111.5 mm減少到94.05 mm，減少了17.45 mm減少量量達到了15.65%，工況2減少25.51%，工況3減少24.16%。

另外，工況1～工況3的巖石參數依次變差，在其他情況一致的情況下，拱頂沉降量明顯增大。

(2)巖石含量選用1 000塊巖石個數固定，最小粒徑選用0.1 m固定，選取最大粒徑0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4 m作為變量，3種工況模擬結果如圖10所示。

分析可知，埋深30 m時，隨著巖石塊最大粒徑的增大，拱頂沉降逐漸減小，減小的速度越來越快，這是因為粒徑對應的是面積，變化是大于一次線性，工況1當最大粒徑從0.15 m增加到0.4 m時，增加了0.25 m，拱頂沉降從105.03 mm降低到了86.26 mm，減少18.77 mm，減少了17.87%，工況2減少了20.85%，工況3減少了20.62%。

另外，工況1～工況3采用不同的土和巖石進行試驗，拱頂沉降量也有明顯的差異，即巖石參數逐漸變差，顯然隨著土質的變差，拱頂沉降明顯增大。

(3)巖石含量選用1 000塊巖石個數固定，最大粒徑選用0.3 m固定，選取最小粒徑0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 m作為變量，3種工況模擬結果如圖11所示。

巖石塊個數1 000，最小粒徑0.3 m

分析可知，埋深30 m時，當最大粒徑從0.15 m增加到0.4 m時，增加了0.25 m，拱頂沉降從105.03 mm降低到了96.51 mm，減少8.52 mm，減少了81.12%，當最小粒徑從0.05 m增加到0.25 m，增加了0.2 m，拱頂沉降從98.11 mm降低到了84.82 mm，減少了13.29 mm，減少了13.55%。工況2減少了17.88%，工況3減少了15.04%。

另外，工況1～工況3的土和巖石參數依次變差，拱頂沉降量也明顯增加。

2.4 沉降值預測

對于土石混合圍巖，只有根據給定的土和巖石的物理力學性質和巖石含量才能確定沉降范圍。根據2.1節、2.2節和2.3節的計算結果，給出了土石混合圍巖的計算沉降預測范圍，如表3所示，其他沉降參數在范圍內，實際應用時可以采取插值法計算。

表3 計算沉降預測范圍

3 工程驗證

3.1 隧道進出口概況

G7611都勻至香格里拉高速公路守望(滇黔界)至紅山(滇川界)段紅崖山隧道入口位于魯甸縣樂紅鄉關溜村南側，出口位于魯甸縣梭山鄉黑石河五級電站以北，黑石河大溝坐岸陡崖底部。

隧道進洞口：隧道進出口段為淺理，易誘發滑坡、塌方以及崩塌等嚴重工程地質災害，穩定性較差。隧道進口段里程穿越分布厚度為0～20.0 m，碎石粒徑為20～300 mm的土石混合體圍巖地層。碎石骨料主要由強風化灰巖、花崗巖組成，少量為板巖風化碎屑，表面粗糙、棱角分明、形狀各異且不規則，填充介質為黏土(圖12)。隧道進口段上伏第四系崩坡積層的粉質黏土及卵石，下伏基巖為奧陶系中統大臂組、湄潭組，主要為灰巖、頁巖，屬較破碎、軟巖。圍巖為碎裂結構，節理裂腺發育，巖體破碎。頁巖單軸飽和抗壓強度RC=14.8 MPa，完整性系數Kv=0.38，K1=0.40，K2=0.20，K3=0，巖石基本質量指標[BQ]=179?；尹S色，稍濕，稍密、中密，主要由灰巖碎塊石和紅黏土組成，碎塊石呈菱角狀，一般粒徑為20～300 mm，含量約30%，為崩坡積成因。下層灰巖呈灰白色，灰黑色，微晶質結構，中厚層狀構造，主要礦物成分為碳酸鈣，隧道進口段地質剖面如圖13所示。

圖12 隧道進洞口土石混合體

ZK68+390為里程樁號

隧道出洞口：洞口出口段巖體破碎，洞口段為崩坡堆積體，地表被第四系崩坡積成因的土石混合體覆蓋，下伏基巖為強風化灰巖,表層的土石混合圍巖，巖石塊粒徑為10～250 mm，黏質土為填充介質，如圖14所示，隧道出口段地質剖面如圖15所示。

圖14 隧道出洞口土石混合體

ZK74+295為里程樁號

3.2 沉降預測

根據勘測和現場測得，得到隧道進口所處的地區的圍巖如下：上層為土石混合圍巖，下層為灰巖。其中黏土體、巖石塊、巖層具體參數如表4所示。根據上一章的計算結果，洞口相對拱頂沉降應該在0.234 58%～0.340 00%，即28.12～40.8 mm。根據現場實測的結果，拱頂沉降的實測值為32.68 mm，在預測的范圍28.12～40.8 mm，說明拱頂沉降值在預測范圍內。

表4 隧道進口圍巖參數

隧道出口所處的地區的圍巖條件如下：土石混合圍巖厚度為15 m，具體參數如表5所示，根據10 m埋深土石混合圍巖的相對拱頂沉降范圍在0.333 41%～0.487 92%，20 m埋深的土石混合圍巖的相對拱頂沉降范圍在0.558 83%～0.777 17%，14.7 m埋深(取10 m和20 m埋深的中間值)拱頂沉降的范圍在0.410 67%～0.668 00%，拱頂沉降范圍為49.28～80.16 mm。實際測得隧道拱頂沉降值為68.74 mm，在預測的拱頂沉降范圍內，說明該方法的有效性。

表5 隧道出口圍巖參數

4 結論

土石混合體圍巖，在實際隧道工程洞口段施工時很常見，模擬分析了土石混合體圍巖隧道施工時巖石塊含量和粒徑對于拱頂沉降的影響，得出以下結論。

(1)當埋深、土和巖石參數以及巖石粒徑范圍固定時，隨著巖石塊數(巖石含量)的增加隧道開挖產生的拱頂沉降值逐漸減小，且下降速率逐漸遞增。

(2)當埋深、土和巖石參數以及巖石塊數(巖石含量)固定時，隨巖石粒徑的增大隧道開挖產生的拱頂沉降值逐漸減小，且下降速率逐漸遞增。

(3)通過數值模擬實驗，給出了拱頂沉降值預測范圍，并且結合紅崖山隧道實際工況，驗證了該拱頂沉降值預測的適用性。