趙倩倩 李 飛 夏玉峰

天然巖體處于開放環(huán)境中，不僅受地心引力和日月潮汐引力的作用，而且受地殼板塊運(yùn)動(dòng)構(gòu)造應(yīng)力的作用。隧道開挖提供了上述作用力的釋放空間，并隨開挖擾動(dòng)應(yīng)力共同作用于開挖圍巖中，表現(xiàn)出卸荷作用特征[1]。城市隧道由于埋深較淺，其開挖必然會(huì)對(duì)地表產(chǎn)生或多或少的影響，使地表產(chǎn)生移動(dòng)、變形等，從而造成對(duì)地面已有建筑物或設(shè)施的破壞。對(duì)于隧道開挖引起的地表移動(dòng)與變形問題，各國(guó)眾多學(xué)者均進(jìn)行過相關(guān)研究，但是這些研究一般只考慮了地表的沉降，對(duì)于對(duì)地表建筑物及地下管線破壞較大的地表傾斜和水平變形涉及不多，許多規(guī)范在制定地表建筑物保護(hù)等級(jí)時(shí)將地表傾斜、曲率和水平變形的大小作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，因此，在對(duì)隧道施工引起的地表移動(dòng)與變形問題進(jìn)行研究時(shí)，地表傾斜、曲率和水平變形的計(jì)算不容忽視[2]。而且，隧道開挖階段及開挖后期誘發(fā)的地表移動(dòng)與變形是造成各種建(構(gòu))筑物產(chǎn)生外觀及功能上損害的主要原因，每年由此而造成的經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)可觀[3]。因此，隧道開挖區(qū)地表移動(dòng)與變形理論的研究，具有重要的理論價(jià)值和工程實(shí)踐意義。

1 工程概況

膠州灣海底隧道是青島市規(guī)劃“南隧北橋”中的南隧，是膠州灣海底隧道和快速路三期的重要紐帶。海底隧道南接黃島區(qū)的薛家島，北連青島老市區(qū)團(tuán)島，下穿膠州灣灣口海域。隧道工程全長(zhǎng) 6 170m，其中隧道長(zhǎng) 5 550m，穿越海域段 3 300m，接線段長(zhǎng)1 580m，兩端敞口段長(zhǎng) 620m。本文以青黃海底隧道青島端接線工程為例，針對(duì)隧道云南路主線 ZK1+180～ZK 1+240段進(jìn)行了深入研究。

1.1 地質(zhì)概況

隧道位于地表以下約 11m深處，隧道開挖區(qū)土層較多，但層序清晰，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基巖為燕山晚期花崗巖及后期侵入的煌斑巖脈。標(biāo)準(zhǔn)地層層序自上而下依次為:雜填土、亞粘土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、弱風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖。隧道圍巖級(jí)別Ⅲ級(jí)，根據(jù)鉆探結(jié)果，隧道連接線開挖頂界多埋置于弱風(fēng)化、微風(fēng)化巖石中。隧道跨度為 14.5m，高為 8.2m，距高層建筑物的最近水平距離為5.4m。

1.2 施工方案

隧道按三車道設(shè)計(jì)，采用新奧法組織施工。開挖斷面大，施工中根據(jù)隧道區(qū)域地質(zhì)條件和周邊建筑物的分布情況，采用CRD四步法開挖。該方法實(shí)際上是一種帶有臨時(shí)仰拱的中隔墻施工方法，因而它也是一種分步開挖的方法[4]。隧道開挖前采用φ42mm超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，隧道開挖時(shí)在隧道兩側(cè)采用L=4m的錨桿進(jìn)行加固。隧道用鋼筋混凝土襯砌，厚 500mm。

2 隧道開挖引起的地表移動(dòng)與變形計(jì)算

為了掌握整個(gè)隧道開挖范圍內(nèi)的地表沉陷情況，我們應(yīng)用基于概率積分法的沉陷仿真計(jì)算軟件，編制地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)程序，并建立自動(dòng)列表和成圖系統(tǒng)，生成地表沉陷等值線圖，預(yù)計(jì)整個(gè)開挖影響范圍的地表沉陷全貌，以指導(dǎo)工程師們的決策[5]。

2.1 計(jì)算參數(shù)的選取

隧道埋深為 11m，地面標(biāo)高 27.3m。本次計(jì)算中采用的參數(shù)均根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)資料和類似工程地質(zhì)條件的工程實(shí)例來確定，具體參數(shù)取值見表 1。

表1 計(jì)算參數(shù)表

通過調(diào)整下沉系數(shù)來模擬隧道支護(hù)，下沉系數(shù)的確定需要通過反分析法，即通過不斷調(diào)整下沉系數(shù)使應(yīng)用沉陷仿真計(jì)算軟件算得的地表最大沉降值與實(shí)際值相符。下沉系數(shù)初始值取 0.4。

2.2 地表移動(dòng)與變形計(jì)算

實(shí)測(cè)地表沉降最大值為 12mm，當(dāng)下沉系數(shù)調(diào)整為 0.6時(shí)計(jì)算所得地表最大沉降值與實(shí)測(cè)值相符，此時(shí)的下沉系數(shù)即為我們需要通過反分析法確定的值。

表2 地表下沉計(jì)算數(shù)據(jù)表

表3 地表水平變形計(jì)算數(shù)據(jù)

表4 地表傾斜變形計(jì)算數(shù)據(jù)

表5 地表曲率變形計(jì)算數(shù)據(jù)

3 地表變形結(jié)果分析

根據(jù)沉陷預(yù)計(jì)軟件得到的地表移動(dòng)與變形等值線CAD圖，利用插值法計(jì)算ZK1+220截面各點(diǎn)的地表移動(dòng)和變形值(見表 2～表 5)，并擬合成曲線(見圖1～圖4)，分析距離隧道中心點(diǎn)不同距離處各點(diǎn)的地表移動(dòng)與變形值的變化規(guī)律。

從表 2～表 5及圖 1～圖 4可以得出如下結(jié)論:

1)隧道 ZK1+220截面地表沉降最大值發(fā)生在 X=0處，即隧道中心，其值為 12mm。從圖 1地表沉降隨距離變化曲線可以看出，距離隧道越遠(yuǎn)，地表沉降值越小，沉降曲線的形狀與理論分析的地層沉降槽形態(tài)一致，說明用基于概率積分法的沉降預(yù)計(jì)軟件分析隧道開挖對(duì)地層的影響是可行的。2)從圖 2地表水平變形隨距離變化的曲線可以看出，隧道 ZK 1+220截面地表水平變形值以隧道中心線為軸，大體呈對(duì)稱分布。地表水平變形最大值發(fā)生在隧道中心 20m處，最大值為 0.28mm/m。地表水平變形最小值發(fā)生在隧道中心線左右的一段區(qū)域內(nèi)，平均值為 0.09mm/m。3)從圖 3地表傾斜變形隨距離變化的曲線可以看出，隧道 ZK 1+220截面地表水平變形值以隧道中心線為軸，大體呈對(duì)稱分布。地表傾斜變形最大值發(fā)生在隧道中心 10m處，最大值為 0.73mm/m。4)從圖 4地表曲率變形隨距離變化曲線可以看出，隧道 ZK 1+220截面地表曲率變形值隨距離變化與地表水平變形曲線類似，以隧道中心線為軸，大體呈對(duì)稱分布。地表曲率最大值出現(xiàn)在隧道中心左右約 16m處，最大值為 0.05mm-1。最小值發(fā)生在隧道中心左右，在隧道中心左右寬度約 20m的范圍內(nèi)地表曲率變形變化不大，其值為 0.01mm-1。 5)地表移動(dòng)與變形的影響寬度約為 60m，在 60m以外，地表移動(dòng)與變形值已趨于 0，隧道開挖的影響可以忽略。

4 結(jié)語

隧道開挖后產(chǎn)生的地表移動(dòng)與變形是造成各種建(構(gòu))筑物及設(shè)施產(chǎn)生外觀及功能上損害的主要原因。本文通過運(yùn)用基于概率積分法的沉陷仿真預(yù)計(jì)軟件計(jì)算分析了青黃海底隧道青島端接線工程云南路主線ZK 1+180～ZK1+240段的地表移動(dòng)與變形情況，證明了用該方法計(jì)算隧道開挖區(qū)的地表移動(dòng)與變形具有很大的可信度。研究結(jié)果為隧道開挖區(qū)的地表移動(dòng)與變形的相關(guān)因素分析打下了良好的基礎(chǔ)，為采用更有效的工程措施控制地表移動(dòng)與變形提供了依據(jù)。

[1] 范福平.隧道開挖引起地面沉陷的協(xié)同演化機(jī)理探討[J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28(2):41-45.

[2] 施成華，彭立敏.淺埋隧道開挖縱向地表變形預(yù)測(cè)及其基本規(guī)律[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2004，17(2):73-77.

[3] 郭 軍.地鐵隧道開挖誘發(fā)的地表沉降對(duì)鄰近建筑結(jié)構(gòu)的影響研究[D].北京:北京工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文，2005:1-2.

[4] 涂碧海，李正文，馮金海.CRD法在大跨度隧道掘進(jìn)中的應(yīng)用[J].中國(guó)市政工程，2005(6):39-41.

[5] 采動(dòng)建筑物破壞程度預(yù)測(cè)及破壞機(jī)理研究[J].阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1992，11(1):41-45.