隧道下穿淺埋段上覆巖體變形規律研究

宋真之

(中鐵十四局集團第四工程有限公司 ，山東 濟南 250000)

隨著我國市政工程建設的持續發展，我國市政工程建設取得了一系列的成就。在市政隧道建設領域，隧道下穿淺埋段經常會遭遇斷層破碎、淺埋偏壓、涌水涌泥等不良地質災害，在下穿前常使用地表注漿加固和加強超前支護等方式進行地質災害風險管控。許王梁[1]分析了淺埋段開挖過程中上覆巖體的力學特征，并提出了對應的結構強化措施。吳春波[2]總結并分析了淺埋段在支護過程中的易發問題，使用強化超前支護，有效避免了淺埋段掘進過程中的地質災害發生。范勝利[3]使用數值模擬仿真計算分析了淺埋段明挖過程中的圍巖應力變化，并將變化規律成功應用于現場施工中，有效加快了工期進度。侯連浩[4]使用雙層超小導管進行超前支護，有效減少了隧道開挖過程中的隧頂塌方。韓忠磊[5]提供現場試驗分析了下穿公路隧道施工過程中的沉降規律。

目前，國內外相關研究機構在隧道下穿淺埋段掘進領域主要集中在強化超前支護、分析圍巖變形規律等方面[6-9]。在隧道穿越淺埋段過程中，各類風險發生的可能性較大，并且隧道掘進對淺埋段上覆的第四系表土、植被等有不良影響，需要分析下穿淺埋段完成后的下穿淺埋段隧道上覆巖體變化情況，以保證下穿淺埋段隧道的安全、穩固和長期使用。

1 工況介紹

某市政工程隧道淺埋段，埋深5～16m，洞身圍巖為砂質頁巖，青灰色，強風化～弱風化，節理裂隙較發育，巖體較破碎。地下水主要為基巖裂隙水，較發育。洞身圍巖為V級圍巖，襯砌類型為Vb型復合式襯砌。隧道下穿淺埋段前，預先使用注漿加固處理，淺埋段采用地表PVC袖閥管注漿加固。注漿橫向加固范圍為開挖輪廓線外5m，鉆孔直徑φ90mm，采用直徑φ50mm袖閥管。注漿區域為洞身范圍內從地表至洞內拱部180度范圍；洞身范圍外加固范圍為地表至結構底。由于上覆巖體較破碎，隧道在下穿淺埋施工完成后，上覆圍巖仍會產生一定的蠕變，需要對隧道下穿淺埋段后的圍巖與支護結構的變形行分析，以策安全。

2 數值模型建立

本文試驗有限元軟件，根據現場淺埋段長度設置模型長100m，寬50m，結合淺埋段深度設置模型高度為50m，劃分網格后數值模型如圖1所示。

上覆巖體本構模型采用摩爾庫倫準則，巖體材料參數及隧道結構材料參數如表1、表2所示，材料均物理性質為各向同性。

表1 巖體材料參數

表2 隧道結構材料參數

初始應力考慮地應力，邊界條件設置為：左右邊界為水平方向約束，前后邊界為水平方向約束，下邊界為方向垂直向上的約束，其他邊界為自由邊界。

3 計算結果位移分析

豎向位移為淺埋段變形的重要觀測指標。首先對計算結果中豎向位移進行分析，上覆巖體豎向位移結果如圖2所示。

(a)豎向位移云圖

(b)豎向位移縱向剖面圖

根據圖2所得數據，隧道上覆巖體沉降范圍在橫向上可以達到2倍洞徑，垂直方向上豎向變形由拱頂一直延伸至地表，拱頂附近的沉降變形較上覆巖體其變形較大，各斷面里程隧道拱頂上方地表沉降量值基本一直。隧道完成后受隧道結構體的自重影響，隧底會出現較大的變形，在算例中隧底最大變形達到2.9 cm，需引起足夠重視。

圖3為本算例橫向位移計算云圖，由圖3可知，橫向位移變化基本沿隧道中線對稱分布，隧道兩側橫向位比隧道其他部分較大，隧道兩側橫向位移在0.35～1.32 cm，隧道上覆巖體橫向位移整體較小。

圖3 橫向位移計算云圖

圖4為縱向位移計算結果，由圖4可知，本算例中隧道結構及上覆巖體的縱向位移總體維持在同一數量級水平，淺埋段上覆巖體表面縱向位移較大。

圖4 縱向位移計算云圖

圖5為合位移計算云圖，由圖5可知，空間合位移由隧道底部至地面整體呈喇叭形，隧道結構底部位移最大，最大位移值為7.3cm，上覆巖體受隧道結構影響，在水平上的變形范圍為4倍洞徑，4倍洞徑范圍以外，隧道變形不明顯。隧道結構底部一下1.5倍洞徑范圍內位移變形較為明顯。

圖5 空間合位移計算云圖

4 淺埋段地表沉降監測

地表沉降觀測點應在隧道開挖前布設，并與洞內測點布置在同一斷面里程，每1排布置10個監測點，基準點布設2個，相鄰斷面間距5 m，監測斷面測點布置如圖6所示。

圖6 檢測斷面測點布置圖

根據相關研究結論，隧道結構拱頂正上方的沉降量為同一沉降測量斷面的最大值或較大值，為分析下穿淺埋段監測斷面沉降最大值的變形規律，每20m選取一個監測點，分析沉降量隨時間的變化規律，監測結果如圖7所示。

圖7 測點沉降量隨時間變化圖

由圖7可知，淺埋段沉降在14d內發展較快并達到最大值，14d以后沉降量基本不在發生變化。各測點的沉降量最大值在0.6～4.7 mm范圍內，并呈現出較大的離散性，而在數值模擬中各斷面的沉降值基本在同一水平。造成上述差異原因為：在數值模擬中設定的巖體材料為均質材料，未考慮實際前面的地質中的巖體裂隙、地下水等影響。

對同一測量斷面上的各點沉降量變化規律進行分析，取沉降量較大的斷面數據使用Originlab軟件進行擬合，所得擬合圖像如圖8所示。

(a)算例1

(b)算例2

由圖8可知，隧道中線量測25 m范圍外已基本無沉降量，隧道中線兩側沉降量基本呈對稱分布，在兩側0～10 m范圍內沉降變化較大。

5 結語

1)根據數值模擬計算結果，隧道上覆巖體沉降范圍在橫向上可以達到2倍洞徑，垂直方向上豎向變形由拱頂一直延伸至地表，拱頂附近的沉降變形較上覆巖體其變形較大，各斷面里程隧道拱頂上方地表沉降量值基本一直。隧道完成后受隧道結構體的自重影響，隧底會出現較大的變形，

2)根據現場實測結果，淺埋段沉降在14 d內發展較快并達到最大值，14 d以后沉降量基本不在發生變化。各測點的沉降量最大值在0.6～4.7 mm范圍內，并呈現出較大的離散性，而在數值模擬中各斷面的沉降值基本在同一水平。

3)根據現場監測數據擬合結果，隧道中線量測25 m范圍外已基本無沉降量，隧道中線兩側沉降量基本呈對稱分布，在兩側0～10 m范圍內沉降變化較大。