隧道下穿浅埋段上覆岩体变形规律研究

宋真之

(中铁十四局集团第四工程有限公司 ，山东 济南 250000)

随着我国市政工程建设的持续发展，我国市政工程建设取得了一系列的成就。在市政隧道建设领域，隧道下穿浅埋段经常会遭遇断层破碎、浅埋偏压、涌水涌泥等不良地质灾害，在下穿前常使用地表注浆加固和加强超前支护等方式进行地质灾害风险管控。许王梁[1]分析了浅埋段开挖过程中上覆岩体的力学特征，并提出了对应的结构强化措施。吴春波[2]总结并分析了浅埋段在支护过程中的易发问题，使用强化超前支护，有效避免了浅埋段掘进过程中的地质灾害发生。范胜利[3]使用数值模拟仿真计算分析了浅埋段明挖过程中的围岩应力变化，并将变化规律成功应用于现场施工中，有效加快了工期进度。侯连浩[4]使用双层超小导管进行超前支护，有效减少了隧道开挖过程中的隧顶塌方。韩忠磊[5]提供现场试验分析了下穿公路隧道施工过程中的沉降规律。

目前，国内外相关研究机构在隧道下穿浅埋段掘进领域主要集中在强化超前支护、分析围岩变形规律等方面[6-9]。在隧道穿越浅埋段过程中，各类风险发生的可能性较大，并且隧道掘进对浅埋段上覆的第四系表土、植被等有不良影响，需要分析下穿浅埋段完成后的下穿浅埋段隧道上覆岩体变化情况，以保证下穿浅埋段隧道的安全、稳固和长期使用。

1 工况介绍

某市政工程隧道浅埋段，埋深5～16m，洞身围岩为砂质页岩，青灰色，强风化～弱风化，节理裂隙较发育，岩体较破碎。地下水主要为基岩裂隙水，较发育。洞身围岩为V级围岩，衬砌类型为Vb型复合式衬砌。隧道下穿浅埋段前，预先使用注浆加固处理，浅埋段采用地表PVC袖阀管注浆加固。注浆横向加固范围为开挖轮廓线外5m，钻孔直径φ90mm，采用直径φ50mm袖阀管。注浆区域为洞身范围内从地表至洞内拱部180度范围；洞身范围外加固范围为地表至结构底。由于上覆岩体较破碎，隧道在下穿浅埋施工完成后，上覆围岩仍会产生一定的蠕变，需要对隧道下穿浅埋段后的围岩与支护结构的变形行分析，以策安全。

2 数值模型建立

本文试验有限元软件，根据现场浅埋段长度设置模型长100m，宽50m，结合浅埋段深度设置模型高度为50m，划分网格后数值模型如图1所示。

上覆岩体本构模型采用摩尔库伦准则，岩体材料参数及隧道结构材料参数如表1、表2所示，材料均物理性质为各向同性。

表1 岩体材料参数

表2 隧道结构材料参数

初始应力考虑地应力，边界条件设置为：左右边界为水平方向约束，前后边界为水平方向约束，下边界为方向垂直向上的约束，其他边界为自由边界。

3 计算结果位移分析

竖向位移为浅埋段变形的重要观测指标。首先对计算结果中竖向位移进行分析，上覆岩体竖向位移结果如图2所示。

(a)竖向位移云图

(b)竖向位移纵向剖面图

根据图2所得数据，隧道上覆岩体沉降范围在横向上可以达到2倍洞径，垂直方向上竖向变形由拱顶一直延伸至地表，拱顶附近的沉降变形较上覆岩体其变形较大，各断面里程隧道拱顶上方地表沉降量值基本一直。隧道完成后受隧道结构体的自重影响，隧底会出现较大的变形，在算例中隧底最大变形达到2.9 cm，需引起足够重视。

图3为本算例横向位移计算云图，由图3可知，横向位移变化基本沿隧道中线对称分布，隧道两侧横向位比隧道其他部分较大，隧道两侧横向位移在0.35～1.32 cm，隧道上覆岩体横向位移整体较小。

图3 横向位移计算云图

图4为纵向位移计算结果，由图4可知，本算例中隧道结构及上覆岩体的纵向位移总体维持在同一数量级水平，浅埋段上覆岩体表面纵向位移较大。

图4 纵向位移计算云图

图5为合位移计算云图，由图5可知，空间合位移由隧道底部至地面整体呈喇叭形，隧道结构底部位移最大，最大位移值为7.3cm，上覆岩体受隧道结构影响，在水平上的变形范围为4倍洞径，4倍洞径范围以外，隧道变形不明显。隧道结构底部一下1.5倍洞径范围内位移变形较为明显。

图5 空间合位移计算云图

4 浅埋段地表沉降监测

地表沉降观测点应在隧道开挖前布设，并与洞内测点布置在同一断面里程，每1排布置10个监测点，基准点布设2个，相邻断面间距5 m，监测断面测点布置如图6所示。

图6 检测断面测点布置图

根据相关研究结论，隧道结构拱顶正上方的沉降量为同一沉降测量断面的最大值或较大值，为分析下穿浅埋段监测断面沉降最大值的变形规律，每20m选取一个监测点，分析沉降量随时间的变化规律，监测结果如图7所示。

图7 测点沉降量随时间变化图

由图7可知，浅埋段沉降在14d内发展较快并达到最大值，14d以后沉降量基本不在发生变化。各测点的沉降量最大值在0.6～4.7 mm范围内，并呈现出较大的离散性，而在数值模拟中各断面的沉降值基本在同一水平。造成上述差异原因为：在数值模拟中设定的岩体材料为均质材料，未考虑实际前面的地质中的岩体裂隙、地下水等影响。

对同一测量断面上的各点沉降量变化规律进行分析，取沉降量较大的断面数据使用Originlab软件进行拟合，所得拟合图像如图8所示。

(a)算例1

(b)算例2

由图8可知，隧道中线量测25 m范围外已基本无沉降量，隧道中线两侧沉降量基本呈对称分布，在两侧0～10 m范围内沉降变化较大。

5 结语

1)根据数值模拟计算结果，隧道上覆岩体沉降范围在横向上可以达到2倍洞径，垂直方向上竖向变形由拱顶一直延伸至地表，拱顶附近的沉降变形较上覆岩体其变形较大，各断面里程隧道拱顶上方地表沉降量值基本一直。隧道完成后受隧道结构体的自重影响，隧底会出现较大的变形，

2)根据现场实测结果，浅埋段沉降在14 d内发展较快并达到最大值，14 d以后沉降量基本不在发生变化。各测点的沉降量最大值在0.6～4.7 mm范围内，并呈现出较大的离散性，而在数值模拟中各断面的沉降值基本在同一水平。

3)根据现场监测数据拟合结果，隧道中线量测25 m范围外已基本无沉降量，隧道中线两侧沉降量基本呈对称分布，在两侧0～10 m范围内沉降变化较大。