隧道施工過程中圍巖變形的影響因素分析

0 引言

在地下工程建設(shè)領(lǐng)域，隧道施工是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，而圍巖變形是影響隧道工程安全與穩(wěn)定性的重要因素之一。隨著隧道工程向更深、更復(fù)雜的地質(zhì)條件拓展，深入分析圍巖變形的影響因素，對于優(yōu)化隧道設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工實(shí)踐以及保障工程安全具有至關(guān)重要的意義。

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對隧道施工過程中圍巖變形的影響因素進(jìn)行了大量研究[1-2]，并取得了一定的研究成果[3]。然而現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。一方面，多數(shù)研究主要集中在地表沉降的預(yù)測和分析上，對于圍巖內(nèi)部變形及其與地表沉降之間的關(guān)系研究相對較少，缺乏對圍巖變形全過程的深入理解。另一方面，雖然部分研究采用了數(shù)值模擬方法，但模型的建立和參數(shù)的選擇往往基于理想化的假設(shè)，與實(shí)際工程條件存在一定差異，導(dǎo)致模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)之間存在偏差[4]。此外，對于不同地質(zhì)條件、不同施工方法以及不同支護(hù)結(jié)構(gòu)下圍巖變形的綜合對比分析還不夠系統(tǒng)，難以為實(shí)際工程提供全面的指導(dǎo)。

本文以某礦山法隧道為研究對象，通過建立有限元數(shù)值分析模型，對隧道施工過程中的地表沉降的影響因素進(jìn)行分析，為隧道工程的安全施工提供了更全面、更準(zhǔn)確的理論支持與技術(shù)指導(dǎo)。

1工程概況

本研究聚焦于某關(guān)鍵隧道項(xiàng)目，該項(xiàng)目全長約40.5km。以隧道某區(qū)間處于VI級圍巖段為例，區(qū)間埋深均值為 18m ，采用復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，并布置防水帷幕。施工過程中，研究區(qū)段采用礦山法進(jìn)行施工，隧道沿東西走向布置，地勢由西向東逐漸降低，這種地形特點(diǎn)對施工工藝和安全措施提出了特殊要求。

2三維模型建立及驗(yàn)證

2.1 模型建立

為系統(tǒng)探討隧道圍巖受多因素影響的復(fù)雜工況，建立了有限元數(shù)值分析模型，如圖1所示。模型尺寸為60m×50m×50m ，對隧道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對局部進(jìn)行網(wǎng)格加密，共劃分出來31245個(gè)單元、24555個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1隧道模型

在CD開挖模擬過程中，將上、下臺階的爆破深度設(shè)定為1.0m和1.5m，兩臺階開挖間距控制在 5.0m ，并在每段添加1100個(gè)計(jì)算步用，以提升計(jì)算結(jié)果的精確度。模型邊界條件如下：模型底部為完全固定約束，模型四周為側(cè)向位移約束，模型表面為自由邊界。

2.2模型驗(yàn)證

將距研究段起點(diǎn)50m處斷面的實(shí)測值與模擬值進(jìn)行對比。監(jiān)測斷面實(shí)測值與模擬值對比結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，地表沉降實(shí)測值曲線和模擬值曲線吻合較好，在隧道中線處，實(shí)測值略大于模擬值。這是因?yàn)閿?shù)值模擬為理想工況，未能充分考量實(shí)際工程中地層的非均質(zhì)特性、潛在的不良地質(zhì)狀況、地層水分滲入的影響，以及施工過程中的各種不確定性因素等。模擬值和實(shí)測值誤差在可控范圍內(nèi)，說明所建模型合理、可靠。

3圍巖變形影響因素分析

3.1地層硬度對地表沉降的影響分析

3.1.1 圍巖類型劃分

在隧道施工期間，洞身周邊地層的硬度差異會引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的顯著變化，進(jìn)而導(dǎo)致洞身圍巖變形差異，具體表現(xiàn)為地表沉降區(qū)別。本文將圍巖按硬度劃分為5種典型類型，分別為全軟巖、軟硬層厚度比2：1、軟硬層厚度比1：1、軟硬層厚度比1：2以及全硬巖，并相應(yīng)建立5種不同模型，以分析地層硬度變化對地表沉降的具體影響。

3.1.2地表沉降分析

經(jīng)模擬計(jì)算，得到不同工況下的隧道上方地表沉降曲線如圖3所示。不同硬度圍巖施工過程中的沉降槽參數(shù)如表1所示。從圖3可以看出，全軟巖在各距離中表現(xiàn)出的沉降最大，地表沉降峰值高達(dá) 23.43mm ，而全硬巖地層在全過程中沉降最小，最大沉降為 3.41mm ，二者沉降差距顯著，達(dá) 20.02mm 。結(jié)合表1的底層損失率可發(fā)現(xiàn)，前者的損失率正好為后者的10倍。

表1不同硬度圍巖施工過程中的沉降槽參數(shù)

總體來看，隨著地層硬度的逐漸增加，地表沉降的最大值、地層損失量以及地層損失率均呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢，同時(shí)沉降范圍也相應(yīng)縮小。相反，當(dāng)?shù)貙佑捕冉档蜁r(shí)，上述各項(xiàng)指標(biāo)則呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律。在軟硬層厚度比不同的情況下，沉降槽寬度系數(shù)的最大值出現(xiàn)在軟硬層厚度比為1：2時(shí)，此時(shí)寬度系數(shù)值為 8.04m 。而當(dāng)巖層為全硬巖時(shí)，寬度系數(shù)的最小值為 6.29m 。值得注意的是，不同軟硬層厚度比對沉降槽寬度系數(shù)值的影響相對較小，其值大多維持在8左右，且均高于單一地層條件下的數(shù)值。

綜上所述，地層的總體硬度對地表沉降具有顯著影 響，硬度越高，地表沉降程度越輕，地層損失也越小， 沉降范圍也越有限；反之，硬度越低，地表沉降及相關(guān) 指標(biāo)則越嚴(yán)重。

3.2隧道上覆地層影響分析

3.2.1 工況設(shè)計(jì)

在隧道工程建設(shè)中，上覆地層的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)特征，對地表沉降行為和圍巖變形特征具有潛在的調(diào)控作用。通過地層分析，發(fā)現(xiàn)其天然上覆地層由素填土、粉質(zhì)黏土及強(qiáng)風(fēng)化粗粒花崗巖構(gòu)成。為系統(tǒng)探究不同上覆地層工況對地表沉降的量化影響，設(shè)計(jì)了4種不同工況，上覆地層配置方案如表2所示。圍巖的軟硬層厚度比均保持為1：2。

表2上覆地層配置方案

3.2.2地表沉降分析

相應(yīng)的地表沉降模擬結(jié)果如圖4所示。不同上覆地層下的沉降槽參數(shù)如表3所示。通過對模擬計(jì)算結(jié)果分析可知：在所設(shè)計(jì)的4種上覆地層配置中，地表沉降的最大值均相對穩(wěn)定，集中在 10mm 左右，各配置之間的最大沉降值差異極小，最大不超過 0.71mm 。進(jìn)一步考察地層損失量、地層損失率以及沉降槽寬度系數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)，亦呈現(xiàn)出高度一致的規(guī)律性。分析認(rèn)為，由于隧道埋深相對較淺，約為17.5m，且主要位于巖層之中，圍巖的高硬度特性為其提供了強(qiáng)有力的支撐與保護(hù)，顯著削弱了施工活動對上覆地層的擾動效應(yīng)，因此即便對上覆地層進(jìn)行大幅度的類型替換，地表沉降的響應(yīng)變化也極為有限。

圖4不同上覆地層下的地表沉降

表3不同上覆地層下的沉降槽參數(shù)

綜上所述，盡管上覆地層參與了地表沉降的形成過程，但在多種因素的綜合作用下，其對地表沉降的影響相對較小，屬于非主導(dǎo)性因素。

3.3隧道爆破進(jìn)尺參數(shù)的調(diào)控效應(yīng)分析

在隧道施工的爆破作業(yè)環(huán)節(jié)，爆破進(jìn)尺的精準(zhǔn)把控，對于隧道周邊巖體的應(yīng)力分布及地表沉降控制具有重要作用。本文以上臺階爆破凈尺長度這一關(guān)鍵施工參數(shù)為變量，系統(tǒng)分析了其在0.5～2.5m范圍內(nèi)不同取值對地表沉降的量化影響。不同工況下的地表沉降曲線如圖5所示。相不同上臺階爆破進(jìn)尺長度下的沉降槽參數(shù)如表4所示。

圖5不同上臺階爆破進(jìn)尺長度下的地表沉降

表4不同上臺階爆破進(jìn)尺長度下的沉降槽參數(shù)

通過圖5和表4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上臺階爆破凈尺長度縮減至0.5m時(shí)，地表沉降的最大值降至最低，僅為 7.18mm 0而當(dāng)該長度延伸至2.5m時(shí)，最大值上升至 14.51mm ，增幅高達(dá) 7.32mm ，增幅比例達(dá) 101.92% ，這一變化幅度仍處于工程允許的合理區(qū)間內(nèi)。

上述數(shù)據(jù)表明，爆破凈尺長度的細(xì)微調(diào)整能夠引發(fā)地表沉降幅度的劇烈波動。相較之下，上臺階爆破凈尺長度對橫向沉降范圍（即沉降槽寬度系數(shù)）的影響則相對有限。爆破進(jìn)尺0.5m對應(yīng)的寬度系數(shù)為7.62，當(dāng)爆破進(jìn)尺增大至2.5m時(shí)，寬度系數(shù)僅增大 6.8%

綜上可知，上臺階爆破凈尺長度是影響隧道施工地表沉降的關(guān)鍵施工參數(shù)之一，其對地表沉降的最大值具有顯著的調(diào)控作用，而對沉降的橫向范圍影響相對較小。在實(shí)際工程中，精準(zhǔn)優(yōu)化爆破凈尺長度參數(shù)，對于有效控制地表沉降、保障施工安全與周邊環(huán)境穩(wěn)定具有至關(guān)重要的意義。

4結(jié)論

本研究通過對某礦山法隧道施工過程中圍巖變形的系統(tǒng)分析，揭示了地層硬度、上覆地層特性以及爆破進(jìn)尺參數(shù)對圍巖變形的影響，為隧道工程的安全施工提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。主要獲得以下結(jié)論：

1）地層硬度是影響地表沉降的關(guān)鍵因素。在全軟巖地層中，地表沉降最為顯著，沉降峰值達(dá)到 23.43mm 而在全硬巖地層中，沉降最小，僅為 3.41mm 。隨著地層硬度的增加，地表沉降的最大值、地層損失量和地層損失率均顯著降低，沉降范圍也相應(yīng)縮小。該結(jié)果強(qiáng)調(diào)了在隧道設(shè)計(jì)和施工中考慮地層硬度的重要性，以有效預(yù)測和控制地表沉降。

2）在不同上覆地層配置下，地表沉降的最大值變化不大，均集中在10mm左右。這表明在淺埋隧道施工中，圍巖的高硬度特性對上覆地層的保護(hù)作用顯著，施工活動對上覆地層的擾動效應(yīng)較弱。因此上覆地層的變化對地表沉降和圍巖變形的影響有限，但在復(fù)雜地質(zhì)條件下仍需謹(jǐn)慎評估。

3）爆破凈尺長度的增加導(dǎo)致地表沉降最大值顯著增大，而對沉降的橫向范圍影響較小。具體而言，當(dāng)爆破凈尺長度從0.5m增加到2.5m時(shí)，地表沉降的最大值從7.18mm 增加到 14.51mm ，增幅達(dá) 101.92% 。該結(jié)果表明，通過優(yōu)化爆破進(jìn)尺參數(shù)，可以有效控制地表沉降和圍巖變形，增強(qiáng)施工的安全性和穩(wěn)定性。

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