復雜地質隧道施工的沉降變形分析

藍 華,高 永,李寒雄

(1.廣西壯族自治區城鄉規劃設計院，廣西 南寧 530020;2.重慶大學 土木工程學院，重慶 400044;3.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

隨著國家基礎建設的擴大，高等級公路隧道在黃土地區的修筑工程越來越多。相較于傳統的巖質隧道，黃土因其特殊的成分和工程地質條件，導致黃土隧道存在圍巖強度低、自承載力弱、開挖變形大的問題[1-2]。為明確黃土隧道受力變形特征，提升隧道承載能力，有效控制沉降，相關學者進行了多方研究[3-5]。目前黃土隧道受力狀態和變形特征的分析方法主要包括經驗公式法[6]、數值分析法[7-8]、現場實測法[9]等。如基于大量工程資料計算給出的不同圍巖級別差異經驗公式，包括平衡拱理論的圍巖計算方式、圍巖淺埋隧道計算公式等[10-12]；基于隧道結構特征的數值仿真模擬，如針對大斷面黃土隧道地基沉降的數值計算分析，地基加固處理，針對軟巖小凈距隧道施工開挖進行土層應力狀態分析等[13]；根據模型試驗和施工現場測量數據進行黃土穩定性的計算分析，如針對不同大斷面濕陷性黃土隧道的沉降、變形測量，得到隧道施工中的變形控制措施，給出合適的隧道施工方法等[14-15]。

本文在相關研究基礎上，以黃土隧道工程為研究對象，針對隧道施工過程中弧形導坑法施工工藝進行數值模擬，得到黃土隧道圍巖開挖后的變形特征，并根據隧道沉降變形規律給出隧道施工的有效建議。

1 黃土隧道模型構建

1.1 工程背景

隧道位于青海省西寧市城北，是丹拉國道主干線過境西寧的主要高速路段之一。整個隧道采用左右線分離4車道設計，左線ZK2+600～ZK5+205段長2 454 m，右線YK2+660～YK5+190段長2 530 m。隧道限寬10.75 m，限高5.0 m，屬于V級圍巖，采用復合式襯砌。

根據隧道建設選址設計，隧道位于青藏高原向黃土高原的過度地帶。鉆探揭示，隧址區地層為第四系全新統黃土、上更新統風積黃土以及人工填土。人工填土分布在左線K2+960～K3+180段，右線K3+080～K3+240段，填方最大揭示高度達35 m。新近堆積黃土主要分布在隧道進口和右側K4+170～K4+210段，該層厚度在4～7 m，頂板標高2 329.79～2 386.94 m。濕陷性黃土分布在ZK3(K4+200)、ZK4(K5+190)段，濕陷等級為Ⅵ級自重性濕陷黃土，天然密度60%～70%，含少量云母碎片、透明淋濾型石膏，設計圍巖級別為V級。

1.2 淺埋黃土隧道施工

大斷面黃土隧道施工方法主要有弧形導坑法、雙側壁導坑法、中隔壁法、預留核心土多臺階法等[16-18]。不同方法具有各自的施工特征，如雙側壁導坑法能對地表沉降更好的控制，但施工工序復雜，臨時支護多，難以采用大型機械設備[19]；CRD法對拱頂下沉控制有著很強的效果，施工工序較簡單，成本較低，但施工難度大[20]；弧形導坑法使用范圍廣、工序簡單，成本低，且結構具有很強安全性，但開挖施工中易對土體造成擾動，形成較大沉降，因而通常應用于較大地表沉降地段[21]。

本項目根據施工進程安排、施工成本，采用弧形導坑法施工。即按高度由上至下將開挖斷面分為3個臺階。通過預留核心土和輔助支護以保持施工的穩定性，為具體的施工流程見圖1。

圖1 隧道弧形導坑施工流程

2 弧形導坑施工過程模擬

2.1 模型建立

選擇隧道最大開挖跨徑處K3092作為研究對象。K3092隧道埋深10 m，最大開挖跨徑和開挖高度分別為16.69 m和12.16 m。設定模型向下取3倍隧道高度35 m，左右取4倍跨徑68 m，隧道軸線方向取60 m。由上至地表，認為不受范圍外土體和縱向邊界影響。

為提高結構準確性，采用ANSYS軟件中4節點結構單元進行隧道支護和周邊圍巖網格劃分，設定縱向單元長度為1 m，對平面進行縱向拉伸得到三維模型。將組合得到的三維模型導入到FLAC 3D中，如圖2所示。整個模型劃分為65 220個單元，共68 869個節點。

圖2 隧道施工三維模型

設定模型左右兩側為X向、底面為Y向、前后為Z向，并施加約束，頂面為自由面。僅在考慮重力作用下，對隧道開挖施工進行模擬，獲得重力作用下初始地應力場，如圖3所示。可以看出，重力場作用下，隧道底層最大沉降值達到21.7 cm，可見黃土地欠密實性。在此基礎上，對施工過程模擬，獲得不包括重力作用場下施工造成的沉降位移和穩定初始應力場，對位移進行“清零”處理。

圖3 初始地應力場

2.2 施工過程的模擬

施工開挖過程中，假定掌子面始終超前支護3 m，開挖后立即噴射混凝土、鋼架結構和鎖腳錨管并注漿，施加初期支護，弧形導坑法開挖界面見圖4。

圖4 弧形導坑法開挖面示意圖

開挖過程中，預留6 m核心土縱向長度，先行開挖上部弧形導坑，滯后掌子面6 m開挖中部右側臺階，滯后中部臺階3 m開挖下部右側臺階，左右側臺階、中部核心土、下部核心土交錯1 m。滯后下臺階12 m進行仰拱開挖。模擬過程中，設定施工步長3 m，共分34次完成51 m的開挖，開挖支護各17次，如圖5為施工縱截面圖。

圖5 施工過程縱截面圖

3 隧道施工穩定分析

3.1 圍巖豎向位移

隧道開挖中，圍巖初始應力示范，應力狀態改變，出現卸荷位移。如圖6為隨隧道開挖進場監測面圍巖豎向位移云圖。隧道上部圍巖形成一個U形整體沉降區，由隧道表面延伸到拱腳處，邊界接近垂直，拱頂和拱腳沉降基本一致。當掌子面到達監測面前，在隧道中線上方地表處出現隧道圍巖豎向最大位移。隨著埋深增加，沉降逐漸較小，在地表處出現最大沉降。當隧道開挖掌子面到達監測面時，隧道上方產生卸荷，拱頂沉降增大，并向地表發展，隨著埋深增加，沉降逐漸增加。對距掌子面33 m處獲得位移云圖分析發現，在垂直方向以左右邊墻形成最大豎向沉降，在距隧道中線20 m范圍內，沉降值隨隧道中線距離增加而下降。由地表至隧道拱腳處垂直向，沉降量較為接近，在8 m深度范圍，仰拱位置形成最大沉降和最大鼓起較為接近。

(a) 距離掌子面-20 m

表1中給出了拱頂位移沉降變化，可以看出，掌子面前方20 m范圍產生的最大沉降僅1.13 m，并未出現明顯的沉降變化。隨著開挖工作的推進，在20～12 m范圍，沉降逐漸增長，當進入12～3 m范圍，沉降速度增加，在3 m時的沉降速度達到最大值。當開挖推進到掌子面時，拱頂沉降量達到38.22 mm，占最大沉降的33%，仰拱底部上揚22.87 mm，占整個上揚總量的25%。開挖推進到仰拱后，速率迅速變小，沉降量趨于穩定，拱頂沉降量累計到了73.18 mm，仰拱底部上揚量累積到60.42 m，仰拱回填后形成的沉降趨于穩定。

表1 拱頂和拱底沉變形累積量Table 1 Accum deformation of vault and arch floor距掌子面拱頂沉降/mm仰拱底不上揚/mm-201.130.38-124.012.11-321.6312.99038.2222.87345.6933.081274.4965.0420111.483.2933115.289.19

淺黃黃土隧道開挖中引起的橫向方位地表沉降擬合曲線見圖7所示，其中橫軸表示相對于隧道中軸線距離?？梢钥闯?，在距隧道中線約2倍隧道跨徑(35 m)沉降趨于穩定，且地表沉降隨隧道中心距離減小而增大，當距中心線一倍跨距(19 m)時，沉降變化明顯增大，表明隧道開挖對圍巖影響主要在掌子面前方一倍跨徑范圍內。隨著間距的進一步減小，直到距隧道中心線8 m，沉降變化趨于穩定，最終在中心線處形成最大地表沉降，最大沉降量為98.2 mm。初支封閉前，沉降變化速度減緩，仰拱開挖后，沉降速度增大，直到初期支護封閉仰拱回填，變化速度趨近于零。

圖7 隧道開挖圍巖沉降變化曲線

3.2 隧道圍巖水平位移

圖8給出了隧道開挖過程中圍巖監測面的水平位移變化云圖。可以看出，在開挖掌子面到達監測面前，隧道圍巖最大水平位移量僅4.3 mm，收斂幅度較小。當開挖到監測面時，拱腳和拱腰收斂增大，當掌子面離開監測面15 m后(下臺階通過)，收斂速度趨于穩定，此時拱頂尚未開挖，初支護并未封閉。下臺階通過時的水平位移增長量較小，并在初支封閉后趨于穩定。

(a) 距離掌子面-20 m

圖9 中給出了拱腳和拱腰的水平位移變化曲線。拱腰作為弧形導坑拱腳，在初始開挖階段就形產生了明顯的收斂，當開挖至中下臺階時，拱腰收斂迅速增大，中臺階通過時，拱腰收斂速度達到最大。當下臺階通過監測面，拱腳的收斂速度達到最大，隨后收斂速度迅速下降。整體可以看出，拱腰收斂值略大于拱腳收斂值，拱腳是初期支護和仰拱土體的支撐，拱腰僅對初期支護起到支撐作用。

圖9 監測面圍巖水平位移變化曲線

3.3 隧道圍巖壓力

圖10和圖11給出了隧道開挖過程中圍巖壓力變化云圖?；⌒螌Э娱_挖后，水平應力增幅較小，僅為最大水平應力的12%，豎向應力迅速增加到最大值的74%。隨著開挖工作的持續進行，開挖面臺階通過監測面，應力增大，當下臺階經過監測面后，應力逐漸下降，在通過監測面時的水平應力和豎向應力分別達到最大值的71%和84%。整個開挖過程中，最大水平應力出現在拱腰處，最大豎向應力出現在拱頂，且最大水平應力為最大豎向應力的88%，二者較為接近。當初期支護封閉后，應力仍呈現出較小幅度的增長，一直持續到二襯施作后，應力趨于穩定，且存在稍許下降。

(a)距離掌子面-6 m

(a)距離掌子面-6 m

3.4 施工沉降控制策略

通過上述對淺埋大跨徑黃土隧道弧形導坑施工的沉降變形和應力變化規律，提出隧道開挖施工過程中控制施工沉降的建議。

a.加強拱腳強度。隧道上方圍巖整體沉降明顯，由地表向下延伸至隧道上臺階拱腳，其中地表沉降達到拱頂沉降80%以上，拱頂與拱腳沉降比差異較大。由于采用三臺階法無底部臨時支持，下臺階拱腳收斂對中部仰拱形成一個擠壓趨勢，導致仰拱上鼓明顯[22]。從隧道位移表現可以看出，加強隧道拱腳處可以減少水平收斂力來抑制拱頂上鼓現象，提升支護結構穩定性，通過在隧道上方圍巖提供支撐腳，可減少地表沉降，抑制地表裂縫現象。加強拱腳強度可采用鎖腳錨固，并進行注漿處理，施工中要注意鎖腳錨管與水平面大于45°，保證加固區貼近初支結構。

b.提高初期支護和超前支護。黃土圍巖強度低、自承力差，初期支護對圍巖穩定具有決定作用，因而提高初期支護強度有利于保持整體支護能力。掌子面開挖圍巖的拱頂沉降已經達到總沉降的33.18%，因此做好超前支護能有效控制拱頂總沉降量。當掌子面通過，在超前支護構成一個加固圈，降低圍巖應力釋放，能均勻過度到初期支護上。

c.減少封閉距離。在隧道支護封閉前，沉降和收斂持續增加，一直持續到支護封閉后才趨于穩定，且封閉前，拱頂沉降和水平收斂達到了總變量的85%以上，因此，盡快的封閉支護結構，形成環狀受力整體，在一定程度上能夠對變形具有很好的控制作用。

d.盡快封閉開挖面。從開挖施工變形量可知，圍巖裸露階段的變形始終大于初支支護完成后的變形量，因此，在開挖后及時初噴混凝土層，能有效地平衡結構受力狀態。

4 結論

針對大斷面黃土隧道施工特征，以工程實例為對象，對弧形導坑法施工工藝進行數值模擬仿真，獲得黃土隧道圍巖開挖后的位移變形特征和應力變化，并對隧道變形沉降規律給出有效的防治措施。研究結果主要有：

a.弧形導坑法開挖中，掌子面隧道上部圍巖形成一個U形的整體沉降區，由隧道表面延伸到拱腳處，邊界接近垂直，拱頂和拱腳沉降基本一致。隧道開挖對圍巖影響主要集中在掌子面前方20 m，橫向距隧道中線35 m范圍內。其中在掌子面前方6 m，橫向距隧道中線20 m的沉降影響顯著。

b. 掌子面到達前，圍巖沉降占總沉降的24%～45%。最大沉降發生在掌子面至初支護封閉階段。拱部圍巖沉降隨深度增加變化并不明顯。初支封閉后，圍巖沉降和應力趨于穩定。

c.工程施工中，可通過加強拱腳強度、提高初期支護和超前支護、減少封閉距離，盡快封閉開挖面來有效控制圍巖沉降變形。