隧道施工對路面變形影響的數值分析

摘要：詳細介紹隧道工程項目基礎情況及其地質條件，以此為基礎，應用ABAQUS軟件模擬隧道施工過程，依據模擬數值分析地層沉積量、支護壓力、注漿率對路面變形的影響規律。通過數值分析可知：地層沉積量、注漿率與路面變形程度存在顯著的正相關關系；隨著支護壓力的增大，路面變形程度呈現先下降后上升的趨勢，最低點對應的是支護壓力平衡數值。依據數值分析結論給出相應的隧道施工建議，為隧道施工安全提供保障。

關鍵詞：數值分析；路面變形；隧道施工；地表沉降；影響數值

0 " 引言

近年來，隨著中國經濟水平的大幅度的提升，城市建設規模及其力度也在不斷加大，尤其是基礎建設工程。與此同時，城鎮化進程的加快，城市人口數量的增加，也為市政設施帶來了前所未有的壓力。由此可見，如何高效、高質量完成城市基礎建設施工至關重要[1]。

通常，大部分市政隧道工程需要經過城市主要干道，若采用明挖法施工，不但會妨礙正常道路交通，有可能還會威脅相鄰建筑物與隧道的安全。除此之外，市政隧道工程直徑比較小，對暗挖施工技術的要求也比較高。在此背景條件下，頂管法應運而生。

頂管法是一種新型的暗挖施工技術，具有成本低廉、適用范圍大等優勢，并能夠顯著降低隧道施工對周圍環境、道路交通的影響程度，由此受到了相關領域的關注與應用，成為了市政隧道工程廣泛應用的關鍵施工手段之一。

雖然頂管法發展逐漸成熟，但是依然存在路面變形現象。若路面變形超過一定閾值，就會產生相應的安全風險。本文以此為基礎，應用ABAQUS軟件模擬隧道施工過程，依據模擬數值分析地層沉積量、支護壓力、注漿率對路面變形的影響規律。

1 " 工程概況

1.1 " 工程基本狀況和主要特點

1.1.1 " 基本狀況

隧道工程主要包含人行隧道與車行隧道。其中，人行隧道全長為175m，不但能夠滿足基礎的人行需求，并且兼顧了管線下穿等功能。其中車行隧道全長為140m，暗洞為90m，明洞為50m[2]。隧道與建筑物之間的位置關系如圖1所示。

1.1.2 " 主要特點

為了增加數值分析的精確度，對隧道工程主要特點進行分析，具體如下：一是跨度與斷面大。隧道開挖最大高度達到了13.8m，最大斷面面積達到了241m2。二是埋深淺。開挖面最高點與路面之間的距離為13.1m，隸屬于超淺埋隧道類型。三是間距小。兩個隧道之間的土柱寬度僅有4.7m，是單洞開挖寬度的1/5。四是圍巖復雜。隧道工程范圍內，圍巖級別達到了V級，以粉砂質泥巖為主，承載能力有限。五是上覆重要建筑物。隧道上方存在一個高壓電塔，與隧道之間間隔3.5m。

1.2 " 地質條件概況

隧道工程穿越丘陵區與山體，局部地區坡度較大，并存在少量的植被發育。通過鉆探發現，隧道工程地層結構主要包括雜填土、植物層、坡殘積粉質黏土、殘積粉質黏土、粉砂質泥巖等，由于篇幅有限，本文不再對上述地層結構內容進行詳細贅述。

除此之外，隧道工程施工范圍內也存在著不良地質，例如存在單斜構造的砂巖與泥巖，兩者呈現層狀結構，具有軟、硬相間的特性，在施工過程中極易發生滑坡事件，對圍巖級別產生極大的不利影響[3]。

2 " 隧道施工模擬

當隧道施工開始后，路面變形需要經歷一定的時間，在上述時間內，隨著開挖面的逐漸推進，土體應力也會發生相應的變化。由此可見，在隧道施工模擬過程中，不但需要考慮復雜的地質條件、施工方式等，還要考慮推進過程中的空間效應、時間效應等，使其最大限度的接近真實的隧道施工過程。此研究應用ABAQUS計算軟件模擬隧道施工過程，具體思路如下所示。

2.1 " 數值計算

由于地質條件與隧道結構均具有高度非線性，使得隧道工程開挖過程也存在著顯著的非線性特性，即隧道施工過程土體應力狀態較為復雜，導致對路面變形的影響分析較為困難。本研究采用有限元法，分析隧道施工過程中路面的應力與變形。

2.1.1 " 施加地層初始應力的條件

本研究采用有限元法，分析隧道施工過程中路面的應力與變形。有限元法計算時，施加地層初始應力需要滿足一定的條件，具體如下：一是屈服條件。施加應力必須保證在材料屈服面上。二是平衡條件。初始應力場構成的節點荷載需要與外力荷載保持一定的平衡水平。

2.1.2 " 初始應力計算

由于隧道工程巖石構造應力無法確定，因此在數值計算過程中忽略構造應力對土體整體的影響，制定初始應力計算公式如下：

（1）

式中：

ξx、ξy、ξz——三個方向上的初始應力；

α0——靜止側壓力系數；

βi——第層土體的質量；

Hi——第層土體的厚度；

n——隧道工程中土體的總層數。

將公式（1）的計算結果，輸入至隧道工程有限元模型的形心，即可獲得初始應力場，為后續開挖過程模擬提供一定的支撐。

2.2 " 開挖過程模擬

2.2.1 " 設置開挖邊界剪切力與徑向應力

以上述數值計算結果初始應力場為依據，將其假定為重力場，劃分隧道工程，即挖去部分與保留部分，其對應質量分別為與[4]。理想條件下，若被挖走，其對的約束與外力效應消失。但在實際施工中，土體挖掘是一個需要一定時間的過程，因此需要在下面進行支護。隧道施工開始前，圍巖初始應力狀態為，對應初始位移場為；隧道施工開始后，為了方便研究的進行，設置開挖邊界剪切力與徑向應力均為零。

2.2.2 " 具體模擬過程

開挖過程模擬主要分為3個部分，分別為圍巖應力釋放模擬、隧道超前支護模擬、隧道開挖與支護模擬，具體模擬過程如下：一是圍巖應力釋放模擬。基于新奧法理論，采用“剛度折減法”來模擬圍巖應力釋放過程，其最關鍵環節就是設置圍巖的剛度參數隨場變量的下降規則，使其符合實際的隧道施工情況。二是隧道超前支護模擬。采用超前注漿小導管或者管棚對圍巖進行超前支護，構成一個環向加固層。在模擬過程中，不斷增加力學指標數值，來觀察路面變形的情況。三是隧道開挖與支護模擬。在ABAQUS軟件中設置支護單元與開挖土體單元，通過軟件相關操作功能對開挖與支護過程進行模擬[5]。

3 " 路面變形影響數值分析

3.1 " 地層沉降量對路面變形影響分析

地層沉降量是引起路面變形的直接原因，且無法避免，兩者之間關系極為緊密，相互影響。通過隧道施工模擬得到地層沉降量與路面變形之間的關系如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著地層沉降量的增加，路面與隧道軸向的垂直距離呈現逐漸下降的趨勢，也就是說路面變形逐漸嚴重。

需要注意的是，此研究采用的是頂管法隧道施工手段，以頂管進入開始觀察，路面變形歷程為先隆起后沉降，最終趨于穩定。這主要是因為頂管進入，會對土體施加外力，使得土體產生擠壓效應，土體寬度減小，高度增加，從而致使路面出現隆起現象。

隨著挖去部分的逐漸減少，土體所受外力呈現逐漸下降的趨勢，土體擠壓效應逐漸消失，土體寬度增加，高度下降，從而致使路面出現沉降現象。隧道施工結束后，地層沉降持續一段時間后停止，此時路面步入穩定階段，除了路面下方隧道出現坍塌、毀壞等事故，幾乎不會再產生變形現象。

3.2 " 支護壓力對路面變形影響分析

開挖面支護壓力也是影響路面變形的主要因素之一。適當的開挖面支護壓力，會使隧道施工土體達到平衡狀態，此時路面不會發生變形現象。但這僅僅是理想狀態，在實際施工過程中很難達到。

一般情況下，若開挖面支護壓力過大，路面會出現隆起變形；若開挖面支護壓力過小，路面會出現沉降變形。為了方便研究的進行，以未變形路面為基準，將路面隆起變形記為“+”，將路面沉降變形記為“-”。

通過隧道施工模擬，得到開挖面支護壓力與路面變形之間的關系如表1所示。從表1可以看出，隨著開挖面支護壓力的降低，路面變形呈現先下降后增長的趨勢。

需要注意的是，路面變形程度主要由隆起量或者沉降量的絕對值決定。當開挖面支護壓力為200kPa時，隧道施工土體達到平衡狀態，路面變形數值為0m，表明路面無變形現象。

當開挖面支護壓力大于200kPa時，路面產生隆起變形。隨著支護壓力的增加，隆起變形數值逐漸加大；當開挖面支護壓力小于200kPa時，路面產生沉降變形。隨著支護壓力的減小，沉降變形數值逐漸加大。

3.3 " 注漿率對路面變形影響分析

注漿率的大小也會一定程度的影響路面變形。為了簡化研究過程，將注漿率簡化為等代層彈性模量。通過隧道施工模擬得到注漿率（等代層彈性模量）與路面變形之間的關系如表2所示。

從表2可以看出，隨著注漿率（等代層彈性模量）的降低，路面變形程度呈現逐漸下降的趨勢，兩者表現為顯著的正相關關系。在符合隧道施工工期等條件的前提下，要盡可能降低注漿率（等代層彈性模量），以此來降低路面變形的可能性。

4 " 結束語

本文詳細介紹隧道工程項目基礎情況及其地質條件，以此為基礎，應用ABAQUS軟件模擬隧道施工過程，依據模擬數值分析地層沉積量、支護壓力、注漿率對路面變形的影響規律。具體結論如下：

地層沉降量與路面變形程度呈現正相關關系，地層沉降量越大，路面變形程度更嚴重。開挖面支護壓力存在一個平衡數值。當支護壓力大于平衡數值時，隨著支護壓力的增加，路面變形程度更大，此處變形為路面隆起；當支護壓力小于平衡數值時，隨著支護壓力的下降，路面變形程度更大，此處變形為路面沉降。注漿率（等代層彈性模量）與路面變形程度呈現正相關關系，注漿率（等代層彈性模量）越小，路面變形程度更低。

依據上述的數值分析結論結果，給出隧道施工相關建議：一是合理控制開挖面支護壓力與注漿率（等代層彈性模量），盡可能使土體維持在平衡狀態，注漿率不能超過工程允許范圍；二是實時監測路面變形情況，防止其超出正常范圍，威脅路面上方與周圍建筑物、環境的安全。

參考文獻

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