隧道下穿淺埋段上覆巖體變形規(guī)律研究

宋真之

(中鐵十四局集團第四工程有限公司 ，山東 濟南 250000)

隨著我國市政工程建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，我國市政工程建設(shè)取得了一系列的成就。在市政隧道建設(shè)領(lǐng)域，隧道下穿淺埋段經(jīng)常會遭遇斷層破碎、淺埋偏壓、涌水涌泥等不良地質(zhì)災(zāi)害，在下穿前常使用地表注漿加固和加強超前支護等方式進行地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險管控。許王梁[1]分析了淺埋段開挖過程中上覆巖體的力學(xué)特征，并提出了對應(yīng)的結(jié)構(gòu)強化措施。吳春波[2]總結(jié)并分析了淺埋段在支護過程中的易發(fā)問題，使用強化超前支護，有效避免了淺埋段掘進過程中的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。范勝利[3]使用數(shù)值模擬仿真計算分析了淺埋段明挖過程中的圍巖應(yīng)力變化，并將變化規(guī)律成功應(yīng)用于現(xiàn)場施工中，有效加快了工期進度。侯連浩[4]使用雙層超小導(dǎo)管進行超前支護，有效減少了隧道開挖過程中的隧頂塌方。韓忠磊[5]提供現(xiàn)場試驗分析了下穿公路隧道施工過程中的沉降規(guī)律。

目前，國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)在隧道下穿淺埋段掘進領(lǐng)域主要集中在強化超前支護、分析圍巖變形規(guī)律等方面[6-9]。在隧道穿越淺埋段過程中，各類風(fēng)險發(fā)生的可能性較大，并且隧道掘進對淺埋段上覆的第四系表土、植被等有不良影響，需要分析下穿淺埋段完成后的下穿淺埋段隧道上覆巖體變化情況，以保證下穿淺埋段隧道的安全、穩(wěn)固和長期使用。

1 工況介紹

某市政工程隧道淺埋段，埋深5～16m，洞身圍巖為砂質(zhì)頁巖，青灰色，強風(fēng)化～弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。地下水主要為基巖裂隙水，較發(fā)育。洞身圍巖為V級圍巖，襯砌類型為Vb型復(fù)合式襯砌。隧道下穿淺埋段前，預(yù)先使用注漿加固處理，淺埋段采用地表PVC袖閥管注漿加固。注漿橫向加固范圍為開挖輪廓線外5m，鉆孔直徑φ90mm，采用直徑φ50mm袖閥管。注漿區(qū)域為洞身范圍內(nèi)從地表至洞內(nèi)拱部180度范圍；洞身范圍外加固范圍為地表至結(jié)構(gòu)底。由于上覆巖體較破碎，隧道在下穿淺埋施工完成后，上覆圍巖仍會產(chǎn)生一定的蠕變，需要對隧道下穿淺埋段后的圍巖與支護結(jié)構(gòu)的變形行分析，以策安全。

2 數(shù)值模型建立

本文試驗有限元軟件，根據(jù)現(xiàn)場淺埋段長度設(shè)置模型長100m，寬50m，結(jié)合淺埋段深度設(shè)置模型高度為50m，劃分網(wǎng)格后數(shù)值模型如圖1所示。

上覆巖體本構(gòu)模型采用摩爾庫倫準(zhǔn)則，巖體材料參數(shù)及隧道結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表1、表2所示，材料均物理性質(zhì)為各向同性。

表1 巖體材料參數(shù)

表2 隧道結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

初始應(yīng)力考慮地應(yīng)力，邊界條件設(shè)置為：左右邊界為水平方向約束，前后邊界為水平方向約束，下邊界為方向垂直向上的約束，其他邊界為自由邊界。

3 計算結(jié)果位移分析

豎向位移為淺埋段變形的重要觀測指標(biāo)。首先對計算結(jié)果中豎向位移進行分析，上覆巖體豎向位移結(jié)果如圖2所示。

(a)豎向位移云圖

(b)豎向位移縱向剖面圖

根據(jù)圖2所得數(shù)據(jù)，隧道上覆巖體沉降范圍在橫向上可以達(dá)到2倍洞徑，垂直方向上豎向變形由拱頂一直延伸至地表，拱頂附近的沉降變形較上覆巖體其變形較大，各斷面里程隧道拱頂上方地表沉降量值基本一直。隧道完成后受隧道結(jié)構(gòu)體的自重影響，隧底會出現(xiàn)較大的變形，在算例中隧底最大變形達(dá)到2.9 cm，需引起足夠重視。

圖3為本算例橫向位移計算云圖，由圖3可知，橫向位移變化基本沿隧道中線對稱分布，隧道兩側(cè)橫向位比隧道其他部分較大，隧道兩側(cè)橫向位移在0.35～1.32 cm，隧道上覆巖體橫向位移整體較小。

圖3 橫向位移計算云圖

圖4為縱向位移計算結(jié)果，由圖4可知，本算例中隧道結(jié)構(gòu)及上覆巖體的縱向位移總體維持在同一數(shù)量級水平，淺埋段上覆巖體表面縱向位移較大。

圖4 縱向位移計算云圖

圖5為合位移計算云圖，由圖5可知，空間合位移由隧道底部至地面整體呈喇叭形，隧道結(jié)構(gòu)底部位移最大，最大位移值為7.3cm，上覆巖體受隧道結(jié)構(gòu)影響，在水平上的變形范圍為4倍洞徑，4倍洞徑范圍以外，隧道變形不明顯。隧道結(jié)構(gòu)底部一下1.5倍洞徑范圍內(nèi)位移變形較為明顯。

圖5 空間合位移計算云圖

4 淺埋段地表沉降監(jiān)測

地表沉降觀測點應(yīng)在隧道開挖前布設(shè)，并與洞內(nèi)測點布置在同一斷面里程，每1排布置10個監(jiān)測點，基準(zhǔn)點布設(shè)2個，相鄰斷面間距5 m，監(jiān)測斷面測點布置如圖6所示。

圖6 檢測斷面測點布置圖

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論，隧道結(jié)構(gòu)拱頂正上方的沉降量為同一沉降測量斷面的最大值或較大值，為分析下穿淺埋段監(jiān)測斷面沉降最大值的變形規(guī)律，每20m選取一個監(jiān)測點，分析沉降量隨時間的變化規(guī)律，監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

圖7 測點沉降量隨時間變化圖

由圖7可知，淺埋段沉降在14d內(nèi)發(fā)展較快并達(dá)到最大值，14d以后沉降量基本不在發(fā)生變化。各測點的沉降量最大值在0.6～4.7 mm范圍內(nèi)，并呈現(xiàn)出較大的離散性，而在數(shù)值模擬中各斷面的沉降值基本在同一水平。造成上述差異原因為：在數(shù)值模擬中設(shè)定的巖體材料為均質(zhì)材料，未考慮實際前面的地質(zhì)中的巖體裂隙、地下水等影響。

對同一測量斷面上的各點沉降量變化規(guī)律進行分析，取沉降量較大的斷面數(shù)據(jù)使用Originlab軟件進行擬合，所得擬合圖像如圖8所示。

(a)算例1

(b)算例2

由圖8可知，隧道中線量測25 m范圍外已基本無沉降量，隧道中線兩側(cè)沉降量基本呈對稱分布，在兩側(cè)0～10 m范圍內(nèi)沉降變化較大。

5 結(jié)語

1)根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，隧道上覆巖體沉降范圍在橫向上可以達(dá)到2倍洞徑，垂直方向上豎向變形由拱頂一直延伸至地表，拱頂附近的沉降變形較上覆巖體其變形較大，各斷面里程隧道拱頂上方地表沉降量值基本一直。隧道完成后受隧道結(jié)構(gòu)體的自重影響，隧底會出現(xiàn)較大的變形，

2)根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果，淺埋段沉降在14 d內(nèi)發(fā)展較快并達(dá)到最大值，14 d以后沉降量基本不在發(fā)生變化。各測點的沉降量最大值在0.6～4.7 mm范圍內(nèi)，并呈現(xiàn)出較大的離散性，而在數(shù)值模擬中各斷面的沉降值基本在同一水平。

3)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，隧道中線量測25 m范圍外已基本無沉降量，隧道中線兩側(cè)沉降量基本呈對稱分布，在兩側(cè)0～10 m范圍內(nèi)沉降變化較大。