砂卵石地層隧道開挖圍巖變形特性及沉降規律研究

馮靖杰

(武漢鐵路監督管理局，武漢 430062)

1 概述

近年來隨著隧道建設數量和施工里程日益增加，更多的城市開始建設地下軌道交通[1-2]，不過在施工過程中也會面臨著一些更復雜的地理要求，例如武漢新區廣泛分布的砂卵石地層就對地鐵施工造成了較大的影響[3-4]。姚君華等人針對PBA工法及其導洞的施工方式進行研究，提出導洞“先下后上,先兩邊后中間”的施工方式可有效防止地表下沉[5]。王鵬通過研究不同地鐵的斷面形態和施工方式對地表沉降的影響,得出在截面類型選取方面從優到劣分別是圓形、馬蹄形、矩形[6]。林鴻榮通過分析盾構參數、地質三要素和隧道埋深這三個因素對地層沉降的影響，得出盾構施工時地層沉降規律，在此基礎上建立地層沉降量預測模型[7]。方潔等人深入研究盾構建設時在各種推動加壓狀況下對地表沉降的危害，確定當推動加壓在規定區域內時，推動加壓越大，地表下沉就越小[8]。潘勇等運用FLAC3D數值軟件，對砂卵石地層盾構隧道的開挖進行模擬分析，得出盾構施工中地表沉降量的分布變化規律，并對盾構相關參數對地表沉降直接影響規律進行計算總結[9]。陳慶章運用數值模擬軟件(ABAQUS)對在砂卵石地層中車站使用洞柱法(PBA法)施工過程進行了數值模擬并將現場監測數據與之進行對比，分析其原因得到當開挖順序的不同時對地表沉降產生的影響規律[10]。李亮等對PBA工法在單層五導洞的施工進行數值模擬研究，得到施工所產生的的地表沉降、沉降速率等因素與地表沉降的影響關系[11]。王勇等[12]使用ABAQUS有限元模擬軟件，模擬PBA工法在砂卵石地層和粉質黏土地層應用情況，并與車站的現場實際監測情況進行對比分析，結果表明卵石地層的地表沉降更小,但是利用有限元模擬砂卵石地層有一定的局限性[13-15]。

本文以室內三軸壓縮試驗與離散元數值模擬(PFC)相結合所獲取的細觀參數為基準，建立離散元隧道模型，針對砂卵石地層隧道內開挖作業時采用不同類型開挖施工斷面(圓形、馬蹄形)對地表沉降值的實際影響分別展開研究。基于相應的分析結果，建立完善的砂卵石地層隧道開挖后沉降預測模型,相關成果可為今后的地下工程提供有效參考。

2 室內參數實驗及標定

采用現場取樣至室內開展巖土體參數研究，由于隧道埋深位于砂卵石地層內，故本次試驗的主要實驗巖石取樣研究對象主要為的砂卵石土。卵石主要成分，一般由巖漿巖、變質巖等構成。以亞圓形居多，少量為橢圓，分選性極差，卵石含量在50%～75%，粒徑大小常以40～60 mm之間的為主，部分粒徑大于80 mm，最大的粒徑可達150 mm，充填夾雜物種類較多且為灰白色細砂,局部可見少量漂石。

本次剪切試驗將采用各向等壓不固結不排水相結合的方法，抽氣聯合水頭設定為完全飽和， 試驗裝置中將采用剪切應變的速率控制室，最大軸向剪切應變速率保持在1.5 mm/min，當最大軸向剪應變速率達到最大的20%時終止剪切試驗。通過應力式大型室內三軸試驗機進行三軸試驗,設置的圍壓值分別為100 kPa，200 kPa，300 kPa，并據此分別能得出中密5%含水率狀態條件下的室內砂卵石應力值及應變的關系曲線，在此基礎上，運用離散元軟件PFC構建了顆粒級配與室內試驗數據一致，施加荷載方式為室內三軸壓縮試驗的數值模擬顆粒模型(如圖1所示)。根據室內三軸試驗的應力與應變試驗模擬試驗曲線并不斷的調整試驗各細觀參數值關系(見圖2)，得出室內三軸試驗的數值模擬應力應變曲線，軸向應變隨時間變化持續地增加，曲線變化呈先逐步較快速地上升,再緩慢逐漸上升呈平緩。主應力級差值在800～1500 kPa之間，經過比較分析各數值實驗結果和室內實驗結果,確定的細觀參數值見表1。

圖1 三軸剪切室內試驗及數值試驗分析結果

表1 中密含水率5%時細觀參數取值

圖2 中密含水率5%時數值模擬與室內試驗應力應變曲線

3 數值模型建立及分析

數值分析模擬在砂卵石地層中進行隧道開挖，利用得出的細觀參數建立砂卵石地層模型，模型全長為20 m，高為45 m，隧道埋深皆為10 m。開挖尺寸半徑為5 m，開挖斷面分別為圓形斷面與馬蹄形斷面，并采用全斷面一次性開挖工法進行仿真分析。模型左右兩側邊界取水平方向位移為約束,底部邊界取水平向和豎向雙向位移為約束,上表面取自由邊界，開挖模型如圖3所示。首先將砂卵石土看做由同一介質圓球形顆粒組合而成的集合體，然后再通過試樣的孔隙率以及試樣的級配曲線生成顆粒聚集體，每粒組的顆粒粒徑都應遵循正態分布(Normal distribution)即高斯分布。同時在地表布設10個監測點，用以收集開挖引起的沉降數據(如圖4所示)。

a 圓形斷面開挖 b 馬蹄形斷面開挖

圖4 地表顆粒位移監測測線布置示意

3.1 圓形斷面開挖地表沉降規律

利用得出的砂卵石細觀參數構建了砂卵石土壤地層模形。在此基礎上，采用全斷面工法對隧道進行開挖，隧道埋深為10 m，開挖截面選用圓形，數值計算模型如圖5所示。開挖結束后，可以利用軟件檢測地表顆粒的位置，從而確定了施工中和開挖后顆粒的位置，經過處理后可以得到地表最終的沉降曲線(見圖6)。可以發現，地表的沉降呈槽狀，豎向上觀察可知，地表整體平均向下的沉降量為1.37 cm，其中最大下沉量為1.88 cm；橫向上觀察可知沉降槽寬度約為5.6 m。隧道拱頂上方的地表處出現最大沉降量。對地表監控點的最終沉降值加以了匯總研究，并利用軟件上的擬合技術得到了與實際曲線擬合水平最相似的擬合數值曲線，并由此得到了地表下沉的實際曲線。

圖5 圓形斷面隧道開挖模型示意

圖6 圓形斷面開挖地表沉降擬合曲線示意

通過對監測數據的擬合，得出沉降變形公式為：

(1)

其中y0=-1.388 3，xc=-0.435，w=2.532 7，A=-1.559 5，R2=0.93。

3.2 馬蹄形斷面開挖地表沉降規律

利用得出的砂卵石細觀參數構建了砂卵石土壤地層模形。在此基礎上，采用全斷面工法對隧道進行開挖，隧道埋深10 m，開挖截面選用馬蹄形，數值計算模型如圖7所示，圖7中紅線代表開挖面輪廓?？梢园l現隧道施工建成后，在未施加支護措施情況下，不僅地表出現沉降，并且拱墻向開挖面侵入。同時利用離散元軟件檢測地表粒徑的位置，以確定在開挖時和開挖后粒徑的位置，經過處理后可以得到地表最終的沉降曲線(見圖8)。可以發現，地表的沉降呈槽狀，地表整體平均下沉量為1.09 cm，地表最大下沉量為2.02 cm，平均沉降槽寬度約為12.5 m。最大沉降量發生于隧道拱頂上方的地表。將地表監控點的最終沉降數值加以匯總分析后，并利用軟件上的擬合技術得到了與實際曲線擬合水平最相似的擬合數值曲線，并由此得到了地表下沉的實際曲線。

圖7 馬蹄形斷面隧道開挖模型示意

圖8 馬蹄形斷面開挖地表沉降擬合曲線示意

通過對監測數據的擬合得出沉降變形公式為：

(1)

其中y0=-1.118 5，xc=-0.172 2，w=2.994 5，A=-3.407 9，R2=0.96。

通過對數值模擬結構進行對比分析可以得出圓形斷面和馬蹄形斷面開挖得出的地表沉降曲線，沉降形狀為凹槽形。通過軟件擬合得出沉降曲線，擬合出的曲線擬合度R2都大于0.9，擬合度較高。同時對比分析得出圓形斷面開挖在無支護情況下比馬蹄形斷面開挖更穩定，地表沉降量也更小。

3.3 砂卵石地層初期支護效果研究

考慮到隧道是圓形斷面有時無法滿足內部空間的利用，因此需要針對馬蹄形隧道開挖及支護引起的位移和力學響應展開研究。利用獲得的砂卵石細觀參數構建沙卵石土壤地層模型,并施作支護措施。初襯選用C30混凝土，厚度為50 cm。在數值模擬中，襯砌模型利用CAD進行相應尺寸的繪制，導入至離散元軟件中進行邊界封閉和區域內的隨機球體生成，并結合參數標定進行設置接觸粘結參數?；炷羺道们捌跇硕ǖ贸龅募氂^參數進行賦值模擬。支護措施中在關鍵部位布置監控點，對位移進行實時監測(見圖9)。基于前述分析可知砂卵石地層中采用馬蹄形斷面進行開挖時引起的沉降變形較大，故模擬采用兩臺階法進行開挖，下臺階高度為2 m(見圖9)。同時針對0.5 m開挖進尺條件下，監測斷面沿軸線方向的縱向沉降展開研究。

圖9 支護措施位移測點布置示意

砂卵石土壤地層隧道在開挖后，利用得到的土壤細觀參數模擬混凝土初期支護，圖10、圖11分別為初期支護下的顆粒分布與力鏈示意。將是否有支護措施的隧道形變進行對比分析，由圖10、圖11中結構表明，在砂卵石地層未進行支護措施情況下進行隧道開挖后，拱頂會出現應力松弛現象，甚至出現坍塌。施作支護條件后進行隧道開挖則不會產生明顯的坍塌，不過拱頂上方會出現較小的應力松弛區域。

a 無支護

a 無支護

開挖后地表沉降情況如圖12所示，在隧道開挖后且有支護情況下，地表下沉量最大為0.052 m。上臺階開挖完成時，地表沉降最大為0.038 m，沉降幅度減小了27%，由此說明地表沉降主要是由上臺階開挖后引起。支護措施對隧道圍巖穩定性有較好的提升。初期支護結構測點的位移變形量見表2，可以看出上臺階開挖后，拱頂形變量為1.38 cm，水平收斂值為0.75 cm，下臺階開挖施工后，拱頂形變量為2.12 cm，水平收斂值為2.01 cm。拱頂沉降主要由上臺階開挖造成，下臺階開挖則造成隧道邊墻水平收斂。

圖12 地表顆粒位移示意

表2 初期支護結構變形 cm

縱向地表沉降數據見圖13，可以得出在開挖尚未達到監控面時，地層就出現了輕度下沉現象，當開挖臨近監測面時，砂卵石地層出現快速下沉現象，當開挖通過檢測面后，監控面上巖層下沉速度變慢，當開挖進尺到了0.5D(隧道直徑)時監控面上變化基本平穩，這與現場監測結果相接近。施作支護后，整體變化規律相近，但沉降變形相對較小，這里不再贅述。當然，不同開挖進尺引起的沉降也所差異，在砂卵石地層中為了有效減輕隧道開挖引起的地表變形，可適當減小進尺。

圖13 進尺為1 m時地層縱向沉降曲線

4 結語

本文在室內三軸試驗和數值模擬三軸試驗為基礎，運用離散元軟件PFC模擬不同開挖斷面(圓形斷面，馬蹄形斷面)得出地表沉降曲線和沉降規律，得出以下結論。

1) 通過對比室內實驗和數值模擬實驗砂卵石的應力應變曲線，可以確定出中密砂卵石在含水率為5%狀況下時的細觀參數，包含接觸模量、摩擦系數、孔隙率、粘結剛度和接觸粘結法相剛度。同時也說明利用離散元可以較好的模擬砂卵石地層。

2) 對比分析得出圓形斷面開挖在無支護情況下比馬蹄形斷面開挖更穩定，地表沉降量也更小。馬蹄形斷面開挖后，不僅地表產生沉降槽，同時拱墻周圍砂卵石向凌空面侵入，拱腳圍巖則較為穩定。采用C30模筑混凝土支護下，隨著隧洞開挖，地表沉降較小，應力松弛區域也較小。

3) 在砂卵石地層進行隧道的開挖，其上部分區域為主要變形區域，下部分的地層變形量很小。隧道區域的地層變形，由下至上，由拱頂向地表傳遞，最終產生地表沉降。上臺階開挖時引起隧道頂部產生豎向向下的位移，下臺階開挖時引起隧道產生水平向內收斂的位移。