城市隧道施工中復雜地層的變形及預測

李軍

（衡水市交通運輸局運輸管理處，河北　衡水　053000）

城市隧道施工中復雜地層的變形及預測

李軍

（衡水市交通運輸局運輸管理處，河北衡水053000）

地層的變形及預測是隧道施工中的關鍵問題。文中針對復雜地層中開挖隧道所引起的地層變形，闡述了圍巖變形的過程，討論了各因素對地層變形的影響；通過將地層的總變形看作各因素作用下變形的疊加，推導了實際工程中地層變形的預測公式。

隧道；復雜地層；地層變形；變形預測

隧道工程作為地下工程的一種，在其施工和使用階段對地層變形有嚴格要求。這是因為地下工程受工程施工和地下環境影響較大，存在較高的安全風險。為了保證隧道工程的安全，需加強地層變形預測與控制。

要想合理有效地預測和控制復雜地層變形，首先要了解一般地層條件下隧道施工影響地層變形的機理，進而研究在復雜地層條件下隧道施工對地層變形的影響。一般認為隧道施工對上覆土有擾動影響，進而導致土中應力釋放，土的細觀結構遭到破壞，進一步擴散至地層四周及地表，使地表出現沉降槽，地層產生沉降變形?；谶@種破壞機理，為了研究方便，通常情況下對地層作連續介質假設。這種方法在均質地層條件下是合理可行的，但在復雜地層條件下，土的細觀結構對地層變形的影響較明顯，連續介質假設的計算結果誤差會較大。該文從復雜地層條件下細觀結構變化影響地層變形的機理入手，研究地層細觀結構的破壞模式，以期更加準確地評估隧道工程施工影響下的地層變形。

1　隧道施工對地層變形的影響

地層受隧道施工影響的本質是細觀結構遭到破壞，土中應力釋放，宏觀上表現為地表沉降。在整個隧道施工過程中，地下環境在不斷變化，同時地層結構特性也隨著這種變化而變化，地層的變形、破壞是在一個動態過程中發生的。因此，隧道施工對地層變形的影響不是單一因素的結果，而是一個復雜多因素的過程。

地層變形受隧道施工的影響是一個復雜的過程，這種影響集中體現為隧道圍巖的變形。隧道施工過程中，圍巖的變形包括以下三類：第一類是超期變形，這種變形位于掌子面前方；第二類是急劇變形，這種變形處于掌子面還未進行支護處理的后方；第三類是在對隧道開挖施加支護后的變形，這種變形比前兩種開展緩慢，相對較穩定。這三類變形并不是獨立存在的，而是存在于一個變形過程，是隧道圍巖變形的3個階段（如圖1所示）。3個階段的變形量主要受地層條件、開挖方法、埋深及支護措施等因素的影響。

圖1　隧道施工對圍巖變形的影響

隧道施工對地層變形的影響宏觀上表現為地表沉降槽的產生。找到這種影響的數學模型，對于實際問題的研究具有極大意義。根據Peck R.B.的研究，地表沉降槽大致服從正態分布，由此進一步可確定沉降的最大寬度（如圖2所示）。從圖2可見，隨著埋深的增大，沉降槽的深度逐漸增大，然后減小，但變化率先減小后增大。

圖2　地表沉降槽分布

2　復雜地層條件下地層變形的特點

通常情況下，根據不同因素在地層變形中所起作用的大小，地層變形可分為地層巖性控制變形、結構控制變形及環境控制變形。當地層條件和地下環境較復雜時，隧道施工對地層變形的影響更顯著，這給地層變形預測與控制造成了很大難度。主要體現在以下兩方面：

（1）地層條件復雜，圍巖的特性不均勻，而且地層類別不盡相同，有土質地層和巖質地層，有的致密、有的疏散。在這種條件下，用傳統方法預測地層沉降變形較困難，誤差也較大。

（2）工程周圍的環境多樣化，對地層變形的要求格外嚴格。城市地下工程往往要面臨地上密集的高樓大廈、地下縱橫交錯的管線，這使城市地下工程的施工環境變化無常。對施工的嚴格要求使得對地層變形的控制更加困難。

總之，復雜地層條件下的城市地下工程有著極高的安全風險。在這種情況下，如果忽略地層細觀結構方面的影響，粗略地用連續介質假設對地層的變形與破壞進行分析，將會導致較大的誤差。這在本身就高安全風險的城市地下工程中是不允許的。

2.1復雜地層結構的特點

地層結構的復雜性一般體現在地層的不連續、層理結構復雜引起的地層各向異性及地層中其他構筑物或水的存在造成的地層不均勻性，復雜地層其實是一種各向異性、不連續的復合結構，其變形特性受多種因素影響，是地層整體性質作用的結果。地層結構的這種復雜性，正是預測和控制隧道施工影響地層變形需攻克的難題。

2.2連續介質情況下地層變形的特點

隧道施工影響下的地層變形一部分來自于應力釋放造成的沉降，這部分變形較穩定，也容易預測，可由連續介質條件下的力學方法進行近似估算。這種計算結果在均勻穩定的地層條件下是可接受的，也得到了大量實際工程的驗證。但值得注意的是，這部分變形不是地層的全部變形，只是由隧道施工造成應力釋放而產生的地層變形。

對于復雜的地層結構，大量實際工程說明這種計算方法得出的結果與實際情況存在較大偏差，這主要是因為復雜地層結構條件下，連續介質假設與實際的不連續、不均勻地層結構相悖。針對這種情況，一些學者提出減小地層參數的概化計算方法。而這種方法的計算結果很大程度上取決于對地層結構整體性質的評估。對于地層條件較簡單、地層較均勻的工程而言，這種概化計算方法的計算結果是可行的，但對于地層結構復雜的城市地下工程，這種方法同樣不是很可靠。

2.3地層結構性影響機理

地層結構性對地層變形有十分顯著的影響，其中地層細觀缺陷在這種影響中發揮著非常重要的作用。其影響機理主要有單個缺陷結構的失穩、多個缺陷結構的失穩及缺陷結構的協調變形3種。

（1）地層細觀缺陷引起的失穩。當地層中產生細觀結構缺陷時，往往會引發地層一定范圍的破壞，且隨著破壞的開展及施工擾動的影響，地層細觀結構缺陷會逐漸蔓延，進一步使地層破壞程度加大。這一過程會使地層大面積松散化，地層抵抗變形的能力大幅度下降，進而導致地層變形加大。地層細觀結構缺陷的這一破壞機理，其影響程度主要取決于地層力學參數及缺陷性質，其破壞是一個逐漸發展的過程。

（2）多個地層細觀缺陷的失穩機理。對于實際工程中的復雜地層，其細觀缺陷往往不止一個，并且這些缺陷的性質與分布有較大的離散性。這種情況下的地層失穩一般是多個細觀缺陷相互誘發、相互共同作用的結果。

（3）地層在缺陷結構影響下的協調變形。細觀結構缺陷造成地層變形的本質是地層中應力釋放。在一定條件下，由于施工的影響，這種應力釋放并未表現為地層的失穩破壞，而是在地層內部發生協調變形。地層中的這種狀態不僅與地層條件、周圍環境及工程施工有關，還與細觀結構的分布及性質有關，隨機性很大。在實際工程中，這種狀態將增大地下工程的安全風險。

3　復雜地層變形的預測

隧道施工影響產生的地層變形一般包括材料巖性控制變形、結構控制變形及環境控制變形三部分。在對復雜地層變形進行預測時，首先要對這3種變形分別進行計算，然后綜合考慮隧道支護等其他影響因素對地層變形進行預測。

3.1材料巖性控制變形

對于這種類型變形的計算，通常是先將地層看作連續介質，即不考慮細觀結構缺陷的影響，假設地層是均勻、連續的。用S1表示這部分沉降量，可用彈塑性方法計算，求解方法有數值方法和本構關系兩種。隧道的施工方法、埋深及支護方式等是影響材料巖性控制變形的因素。由于連續介質的假設，這部分變形較穩定、均勻。

3.2細觀結構控制變形

地層細觀結構缺陷影響下的地層變形與沉降更為復雜，由于缺陷的隨機性，變形和沉降表現出非線性，并且受空間關系影響較大。用S2表示這部分沉降量，可采用數值方法進行計算。結構的幾何特性、地表荷載及環境因素也影響著這部分沉降量，增加了計算的復雜性與偶然性。因此，這部分沉降量較不穩定。

3.3環境控制變形

在施工降水過程中，土中的超孔隙水壓力會逐漸消散，這種原因導致的沉降用S3表示。這部分變形可用土力學中的固結沉降原理計算，分瞬時沉降和固結沉降兩部分進行計算。

由分層總和法可得最終沉降量為：

式中：n為土層數；Δpi為第i層土平均附加應力的增量，Δpi=hi/2γw；hi為第i層土的厚度；γw為水的重度；Esi為第i層土的體積壓縮模量。

根據太沙基一維固結理論，各土層固結度為：

式中：Uti為各土層的固結度；TVi為時間因素，TVi=CVit/（ΔHi）2；CV i為第i層土層的固結系數，CV i=Ki（1+e0i）/（γwai）；Ki為第i層土的滲透系數； e0i為第i層土的初始孔隙比；ai為第i層土的壓縮系數；雙面排水條件下，ΔHi取第i層土層厚度的1/2。

瞬時沉降量為：

對于砂土層，其透水性較好，沉降一般在瞬時完成，此時可取瞬時沉降為總沉降。

3.4復雜地層的總變形量

復雜地層的總變形量由以上三部分組成，總變形量S為：

在實際工程中，復雜地層的總變形量受隧道施工影響，而且三部分變形量并不是完全獨立的，它們之間往往存在相互作用，這種耦合作用使實際工程的變形量確定更加困難。因此，計算得出的總變形量會表現出一定的離散性和不穩定性。

4　結語

鑒于越來越多的城市隧道修建在復雜地層中，該文針對隧道施工所引起復雜地層的變形，闡述了地層變形的過程并總結了復雜地層變形的特點。此外，通過將復雜地層變形看作由材料巖性、結構和環境三部分所控制變形的疊加，推導了復雜地層的變形預測公式，為實際工程施工提供參考。

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2015-11-18