围岩性质对黄土浅埋隧道地表变形影响研究

2021-07-01丁点点

科技视界 2021年15期

丁点点

（宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州234000）

0 引言

对于浅埋及软土隧道，施工方法主要有：明挖法与浅埋暗挖法、地下连续墙法、盖挖法及盾构法[1~3]。采用暗挖法进行隧道施工时，隧道开挖会对周围岩土体产生较大扰动，无论是采用新奥法、盾构法，抑或是其他施工方法，都会引起岩土体在开挖空间内的运动。隧道的实际施工过程中，开挖前岩土体的体积与竣工时隧道体积之差称之为地层损失，周围岩土体为了弥补地层损失，引起相应的地层运动、岩土体及地表发生移动及变形[4，5]。对于地层中含水量较少或无水的情况，地表移动与变形可认为是由于隧道施工过程引起的地层损失造成的。

隧道施工引起的地表移动与变形问题的研究源于对矿山巷道上方地表沉降现象的分析，对此，国内外的学者们开展了大量的研究工作[6~10]。本文通过对《国家高速公路网规划》中规划的“第四横”山西省境内鸳鸯会隧道进行数值计算，来探讨围岩性质对黄土隧道地表的影响，以期指导隧道安全施工，提高工程风险防范能力，对于减少开挖对地面和地下工程的影响以及保护地表环境具有十分重要的意义。

1 有限元模拟

有限元分析法已广泛应用于岩土与结构工程分析领域。它的原理是把一个具体的连续体或结构用一种近似等价物理模型来代替，该模型由多个彼此相关的单元体所组成，基于连续体及结构力学的基本原理和单元体的物理特性建立能够表征力与位移关系的方程组[11，2]。

隧道开挖过程的有限元模拟利用在开挖边界施加释放载荷来实现。我们称一个相对完整的施工阶段为施工步，每一个施工步又包含了若干个增量步，因此，与施工步骤相对应的开挖释放载荷就可以在其增量步中依次释放，这样便可以相对真实地模拟隧道的施工过程。在具体的计算过程中，每一个增量步释放的载荷量由相应的释放系数控制。

2 围岩性质对隧道地表变形的影响分析

以下取三种分不同性质的围岩：粉土、粉质黏土和强风化岩层进行工况分析，通过改变隧道围岩的力学参数，进而分析隧道开挖过程中不同的围岩力学参数对地表沉降的影响程度。围岩物理力学参数如表1所示。

表1 围岩物理力学参数表

隧道开挖采用环形留核心土法，开挖进尺为2 m，建立如图1数值模拟分析模型，采用三心圆（曲墙半圆拱形）断面，拱半径5.70 m，曲墙半径8.20 m，上覆岩层厚度为30 m。

图1 隧道有限元三维网格模型

隧道分别上覆三种岩土体开挖后的围岩沉降等值线图对应图2（a）~图2（f）。从图中可以看到，围岩性质差，对应的强度和自承能力小，围岩松动圈会向外扩展，同时隧道拱顶下沉和净空收敛值较大。而随着围岩性质的提高，因隧道开挖引起的位移变形会明显变小，影响的范围也缩小。

图2 不同围岩隧道施工围岩沉降等值线云图

三种不同围岩对应的控制点①、②、③、④处的位移如表2、表3所示。

表2 不同围岩性质对隧道左线位移影响 mm

表3 不同围岩性质对隧道右线位移影响 mm

三种不同的围岩对应三种不同的工况，将每个控制点位移进行对比分析，以粉土为基准，隧道左线中轴线正上方地表竖向位移粉质黏土比粉土降低28%，右线降低9.6%；左线强风化岩层比粉土降低96%，右线降低93.4%。隧道左线拱顶粉质黏土下沉量比粉土下沉量降低54.5%，右线降低16.5%；左线强风化岩层比粉土降低95.3%，右线降低91.6%。隧道左线拱底处粉质黏土竖向位移比粉土竖向位移降低55.9%，右线降低12.2%；左线强风化岩层比粉土降低91.2%，右线降低86%。隧道左线拱腰处粉质黏土水平位移比粉土的水平位移降低36.8%，右线降低16.1%；左线强风化岩层比粉土降低61.8%，右线降低54.4%。由此可见，隧道的围岩力学参数对隧道拱顶下沉、净空收敛、拱腰位移及地表竖向位移均有很大的影响，围岩力学性质越高，对应的隧道拱顶下沉、净空收敛、拱腰位移及地表竖向位移值越小。