单线浅埋隧道开挖围岩稳定性及变形特性分析

王思 陶军 薛凡

中国机械工业第二建设工程有限公司 湖北武汉 430000

随着地下空间利用的发展趋势愈发加快，基础建设正在大规模的进行，为了进一步解决运输成本高和时间长的问题，修建隧道是一个高性价比的解决方案。在一些浅埋隧道开挖过程中，为了不破坏隧道上方原有构筑物的前提下，采用暗挖法对浅埋隧道进行施工是目前普遍采用的技术。但是在隧道施工过程中引起的地表沉降和围岩的变形问题仍然是设计、施工人员和科研工作者普遍关注的问题，还未开挖的岩体处于应力平衡无变形状态，围岩的初始应力平衡状态随着隧道开挖被破坏，围岩经过变形的过程使应力达到再平衡。然而，围岩的应力分布和位移的变化也决定了围岩的稳定性及施工过程中的安全性，因此，研究围岩变形控制量这一影响隧道开挖过程中围岩稳定性的重要因素，成为探究隧道开挖稳定性的首要内容。

1 单线隧道工程概况

海关监管物流地下通道工程位于青岛市蓝村镇泉东村东南约600m，通道结构中心线位于5218桩号K144+200处，与现状三城线交叉角度为63°。地下通道进口端起于青岛国际陆港监管物流中心南侧，紧邻5218省道，该处边坡高差约12m，坡度一般62—75°，最大90°。地下通道总体走向呈西南向东北直线形，终点端90°转弯穿出地面。其中明挖段长度为50m，暗挖段长度为76m，隧道平均覆土埋深约6m；K0+094—K0+170为暗挖段；主体结构为三心圆拱型复合衬砌直墙结构，隧道整体采用暗挖CRD工法逆筑施工，利用工字型钢与钢筋网浇筑混凝土作为断面开挖支护结构，将整个断面分洞室开挖[1]。

2 隧道模型的建立

2.1 隧道模型参数选取

根据青岛青岛海关监管地下物流通道工程岩土勘察报告，有限元模型所处地层的岩土类型从上到下依次为第四系人工素填土(杂填土，以粘性土为主，含建筑垃圾等)粉质粘土等、中风化玄武岩以及微风化玄武岩。不同岩土层物理力学参数如表1所示：

表1 不同地层力学参数

隧道开挖方式为CRD法暗挖，围岩为中风化玄武岩，围岩等级为V级，隧道围岩的力学特性及二次衬砌支护混凝土材料的力学参数见表2：

表2 围岩与二衬力学参数

2.2 模型的假设

（1）模型中岩体假定为连续均匀性介质，其整体变形在各个方向上具有同一性。

（2）将隧道模型简化为弹塑性模型，围岩受到塑性变形时遵从Mohr-Coulomb准则。

（3）为简化模型计算，岩体的自身重力构成隧道围岩的初始应力分布场，构造应力对围岩的影响不在考虑范围内[2]。

2.3 模拟结果分析

利用有限元软件对隧道开挖过程进行模拟，构建三维模型。

图1为隧道竖向位移云图，从图中可以看出在洞室开挖之后，拱顶附近的位移变形尤为突出，拱顶部位的竖向沉降值最大，数值计算获得的模拟值为-7.4mm，现场实际监测值为-6.2mm，隧道的拱脚处位移变形较拱顶附近稍晚，对比模拟数据与实测数据两者之间的差异，拱顶处的竖向变形在开挖完成后有减缓的趋势，而拱脚处的变形加剧。在施作衬砌开始，拱顶的变形进一步减小，与水平收敛较为相近，两者的监测数据与模拟值基本一致。

图1 竖直方向变形图

图2为模型水平收敛位移云图，从图中可以看出围岩水平收敛主要集中在拱脚和竖直拱墙处，随着中隔壁支撑结构的陆续拆除，隧道内部拱形结构承担隧道的所有受力，拱脚所受的的围岩应力剧增，在应力分布平衡后，拱脚处所受应力有所减小，竖直拱墙受到两侧岩体的挤压应力而发生水平位移。在隧道二衬结构浇筑成型之后，拱顶竖向位移与洞身水平收敛速率降低，隧道整体趋于稳定。

图2 水平方向收敛图

3 围岩拱顶下沉结果分析

由图3分析可知：随着开挖工作面的推进隧道围岩拱顶沉降累计变化值先快速增长最后趋于稳定，隧道在开挖前期沉降速率保持稳定，在1.5mm/d左右，在开挖至K0+134.5断面附近时隧道的拱顶沉降速率降低，这与实测变形规律一致。数值模拟所得到的拱顶累计沉降值为7.44mm，超过实测值的20%，此情况可能是由于在模拟计算时支护结构的参数换算过大导致，以及隧道在开挖过程中初衬结构及时支护的原因[3]，导致隧道拱顶沉降实测值比模拟值小。通过对围岩拱顶竖向位移实测数据进行分析可知：围岩竖向位移在隧道横截面轮廓线上沿径向呈现近密远疏的分布规律，基于此规律可得处不同深度的围岩竖向位移变形值也呈现明显不同的趋势，其中最大位移沉降量在隧道拱顶处，变形值由拱顶处向地表逐渐减小，仰拱和拱顶的位移衰减规律较为一致，隧道围岩的整体变形从拱顶开始向仰拱表现为非均匀分布，其中拱顶处的累计沉降值较实测值大，而腰拱处变形值较实测值小，分析其原因是由于在模拟隧道开挖过程与实际过程存在的差异性以及掘进过程中围岩的应力释放快慢程度所引起的。

图3 拱顶沉降随里程变化曲线图

围岩净空收敛结果分析。选取隧道横断面SL-1～SL-18所测得的水平收敛数据作为结果分析，每次选取距离开挖工作面4.5m的断面进行监测数据分析。图4为围岩水平收敛实测值与模拟值随里程变化曲线图，结合隧道围岩整体水平收敛变形分析可知：围岩在隧道开挖前期稳定性较差，其水平收敛变形值较大，待整体围岩成型后，其收敛变形量趋于平缓，在仰拱施作完成之后，隧道整体形成一个稳定的闭环结构，围岩水平收敛进一步减小，其直观反映表现在隧道围岩应力形成新的平衡，隧道趋于稳定。可以看出，隧道围岩的变形依次经历变形加剧、增长缓慢、保持稳定。由图4可以看出模拟值一直处于稳定增长趋势，而围岩变形实测值在K0+107.5～K0+134.5出现与模拟值不同的情况，其主要原因在于开挖此区段的时候，整个工程处于雨季，降雨因素使得隧道开挖进度较为缓慢，此区段内的隧道围岩整体变形量呈现缓慢增加的趋势，而隧道模型在计算时并未考虑降雨对隧道掘进的影响，故而在此区段出现两种增长速度不同的曲线[4]。

图4 隧道全断面周边收敛里程曲线图

4 结语

通过提取基于CRD工法开挖单线浅埋隧道施工过程中拱顶竖向沉降、洞周水平收敛的实测数据与模拟数据，深入分析后得出以下几点结论：

（1）通过对开挖后的地层位移和地表沉降值进行分析，发现地层位移最大值出现在隧道拱顶和仰拱处，应注意对这部分的支护和监测。

（2）根据实测数据与模拟数据的对比分析，隧道的拱顶沉降在断面中心线正上方变形最大，地表处围岩变形量最小，在仰拱未浇筑成型之前，拱脚的稳定性和强度最低，拱脚处的水平收敛值处于较高水平，其收敛衰减最大处距开挖轮廓线较远，需要及时支护来控制围岩变形[5]。

（3）数值分析所得的变形值大于实测数据，误差在允许范围内，可能原因是不同地层损失率、内摩擦角、隧道单位长度的理论体积取值存在一定的误差。根据现场监测数据和模拟结果得知围岩的沉降数值较小，处于沉降控制标准范围之内，是因为在隧道开挖过程中得到及时支护以及注浆加固，经过应力平衡再分配，使隧道的内部结构的受力保持平衡。