崔 紅 虎

(太原市市政公用工程質(zhì)量監(jiān)督站，山西 太原 030002)

?

山西某高速公路隧道地表沉降的檢測(cè)和數(shù)值分析

崔 紅 虎

(太原市市政公用工程質(zhì)量監(jiān)督站，山西 太原 030002)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)了山西省某高速公路隧道開(kāi)挖過(guò)程的地表沉降數(shù)據(jù)，并將其與有限元計(jì)算分析的地表沉降數(shù)據(jù)作了對(duì)比，得到的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好，指出影響地表沉降的主要因素是圍巖的力學(xué)參數(shù)和重力分布，為施工過(guò)程中需要采取加固的點(diǎn)提供了依據(jù)。

高速公路，隧道，地表沉降，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，數(shù)值分析

當(dāng)今社會(huì)，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提升，中國(guó)作為全球第二大經(jīng)濟(jì)體，交通運(yùn)輸成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中不可缺少的一環(huán)，勢(shì)必也對(duì)我國(guó)交通運(yùn)輸體系提出了更高的要求，高速公路的建設(shè)更需要大力的發(fā)展。在施工過(guò)程中，高速公路不可避免地需要穿過(guò)隧道和地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較松軟的區(qū)段，在這種情況下道路不可避免會(huì)出現(xiàn)沉降以及地下隧道的開(kāi)采沉降[1-3]。山西省屬于黃土高原地區(qū)，整體地質(zhì)比較松軟，地質(zhì)堅(jiān)硬的地方相對(duì)較少；并且有些高速公路和鐵路修建在一些老礦區(qū)和新礦區(qū)的待采區(qū)范圍內(nèi)，因此在修建高速公路的時(shí)候勢(shì)必會(huì)考慮地質(zhì)的沉降和隧道開(kāi)挖過(guò)程中的開(kāi)采沉降問(wèn)題。如山西的石太高速公路、晉焦高速公路、天子廟隧道，許多公路隧道段需要跨越很大范圍的采空影響區(qū)[4,5]。

高速公路隧道具有斷面的面積大、隧道的長(zhǎng)度長(zhǎng)的特征，且公路隧道一般所處的自然環(huán)境條件復(fù)雜多變，山西省屬于黃土高原地區(qū)，整體地質(zhì)比較松軟，地質(zhì)堅(jiān)硬的地方相對(duì)較少，不良地質(zhì)條件給隧道施工帶來(lái)了很大的危險(xiǎn)性和多變性，在施工過(guò)程中極易引起隧道上方巖石的崩塌和透水事故。由于天然巖石結(jié)構(gòu)在自然演變的過(guò)程中存在孔洞和裂紋等缺陷，不僅體現(xiàn)在宏觀上也體現(xiàn)在微觀上，有些空洞和裂紋在外力作用下極有可能會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中和裂紋擴(kuò)展，所以高速公路隧道在修建過(guò)程不可避免會(huì)產(chǎn)生大量的人工擾動(dòng)，加之巖體結(jié)構(gòu)的密實(shí)度很低，這些擾動(dòng)和巖石特性都會(huì)給隧道施工帶來(lái)很危險(xiǎn)的后果。同時(shí)在工程完工之后，隧道在使用過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生各種外界載荷作用，其中包括路基載荷、車輛行駛載荷、自然擾動(dòng)等外力作用。隧道上方的巖石可能在這樣的載荷作用下，原來(lái)處于隨遇平衡的巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生局部密實(shí)現(xiàn)象，最終導(dǎo)致隧道地表發(fā)生沉降。地表沉降在工程中是不可避免的，但是需要根據(jù)施工情況將其控制在一定的范圍之內(nèi)，如果隧道地表沉降值超過(guò)臨界沉降值，那么這種情況在技術(shù)上給工程建設(shè)者帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，也可能會(huì)伴隨突發(fā)的、嚴(yán)重的安全事故[6,7]。因此高速公路隧道的地表沉降及如何控制地表沉降成為廣大研究者的一個(gè)重要研究課題。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)公路隧道在施工過(guò)程中的隧道地表沉降問(wèn)題以及隧道地表沉降帶來(lái)的其他的力學(xué)特征進(jìn)行了研究，但是由于不同地質(zhì)條件和施工參數(shù)的變化，使得研究結(jié)果無(wú)法通用。由于高速公路在施工過(guò)程中引起的地面沉陷會(huì)導(dǎo)致地面局部的應(yīng)力集中和大變形，這對(duì)隧道正常使用產(chǎn)生很大的影響，因此開(kāi)展高速公路隧道地表沉降的研究對(duì)未來(lái)高速公路的選線、修建及安全使用具有重要的意義。本文通過(guò)對(duì)山西省某高速公路隧道的開(kāi)挖過(guò)程的地表沉降的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，以及通過(guò)與有限元計(jì)算軟件分析地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到影響地表沉降的主要因素。通過(guò)對(duì)公路隧道施工現(xiàn)場(chǎng)地表沉降的監(jiān)測(cè)得到有關(guān)地表沉降的具體數(shù)據(jù)，為后續(xù)工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 公路隧道地表沉降的監(jiān)測(cè)

本文研究的山西某高速公路隧道屬于上行線和下行線通過(guò)巖層分離的雙向四車道隧道。隧道圍巖屬于Ⅲ類～Ⅳ類圍巖，中上部圍巖為凝灰質(zhì)砂巖及含煤地層，下部為細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，底部為礫巖，含礫粗砂巖，圍巖表層為粘土及粘土和碎石混合物。隧道邊界凈寬12.34 m，凈高6.2 m，凈空面積為64.34 m2，最大埋深40 m，整體結(jié)構(gòu)為三心近似圓。該高速公路隧道采用新奧法施工，Ⅲ類圍巖采用雙臺(tái)階法施工，上臺(tái)階采用的是面內(nèi)爆破，下臺(tái)階采用的是預(yù)裂爆破，開(kāi)挖后并分別施工初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，Ⅳ類采用全斷面法施工。分別將41個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在該高速公路段兩側(cè)，共進(jìn)行為期30 d的監(jiān)測(cè)周期，在隧道橫截面上共布置3個(gè)地表變形測(cè)斜孔。圖1為監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫斷面示意圖，隧道中線上方布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其他40個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別向兩邊分布，分布規(guī)律一般是在隧道中線附近位置的測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置密集，越遠(yuǎn)離隧道中線，測(cè)點(diǎn)的布置位置越稀疏。監(jiān)測(cè)點(diǎn)所處的斷面必須是閉合斷面，且閉合差需要滿足公路隧道施工的相應(yīng)規(guī)范。

圖2給出了K215+124處的5處地表橫斷面及隧道中心線測(cè)點(diǎn)的沉降曲線。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，隧道地表的沉降值逐漸增大，K215+124斷面D35點(diǎn)沉降最大，為14.5 mm；該點(diǎn)位于隧道中線位置，整體沉降值從中心向兩側(cè)逐漸減小。

2 地表沉降變形有限元計(jì)算

2.1 高速公路隧道有限元模型

基于對(duì)高速公路隧道地表橫斷面及隧道中心線測(cè)點(diǎn)的沉陷測(cè)量，本文通過(guò)采用有限元軟件ANSYS對(duì)高速公路隧道地表沉陷進(jìn)行數(shù)值模擬。該高速公路隧道采用新奧法施工，Ⅲ類圍巖采用雙臺(tái)階法施工，上臺(tái)階采用的是面內(nèi)爆破，下臺(tái)階采用的是預(yù)裂爆破，開(kāi)挖后并分別施工初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，Ⅳ類采用全斷面法施工。該高速公路隧道埋深為40 m，屬于淺埋式隧道，隧道全長(zhǎng)500 m，對(duì)于有限元模型取拱頂半徑R=6.1 m,洞高H=6.2 m，寬度B=12.34 m，水平方向左右各取38.83 m，隧道底部以下取43.8 m。隧道圍巖屬于Ⅲ類～Ⅳ類圍巖，采用新奧法施工，圍巖采用雙臺(tái)階法施工，上臺(tái)階采用的是面內(nèi)爆破，下臺(tái)階采用的是預(yù)裂爆破，開(kāi)挖后并分別施工初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，所以先取開(kāi)挖長(zhǎng)度為10 m。根據(jù)實(shí)際中公路隧道的設(shè)計(jì)規(guī)格，建立的隧道模型范圍根據(jù)彈塑性理論影響范圍選取[8,9]，取不小于3倍～5倍的隧道直徑B。對(duì)于該模型尺寸設(shè)置為長(zhǎng)度為90 m(x軸)，寬度為60 m(y軸)，深度為70 m(z軸)，上部覆土層厚度為10 m。

巖石定義為實(shí)體單元，錨桿定義為固定于巖體內(nèi)的桿單元，長(zhǎng)度為6 m，忽略鋼筋網(wǎng)及縱向連接筋的建模，對(duì)于施工中隧道表面的混凝土噴涂層可以簡(jiǎn)化定義為殼單元，厚度為0.65 m。圖3為高速公路隧道的有限元模型，該有限元模型的邊界條件采用接近實(shí)際情況的設(shè)定，隧道上層巖石表層設(shè)定為自由邊界；兩側(cè)圍巖邊界分別受到x軸方向的位移約束，隧道的圍巖下部邊界受到y(tǒng)軸方向的位移約束，前后邊界受到z方向的位移約束。本文考慮自重產(chǎn)生的初始豎直應(yīng)力場(chǎng)，設(shè)定重力加速度為9.806 65 m/s2。對(duì)于水平初始應(yīng)力場(chǎng)的選取一般為初始豎直應(yīng)力場(chǎng)的0.9倍。

表1給出了高速公路隧道有限元模型的材料參數(shù)。其中混凝土噴涂層的材料屬性采用線彈性模型，圍巖的屈服準(zhǔn)則Druker-Prager準(zhǔn)則(D-P準(zhǔn)則)，其中考慮了巖石的粘聚力和內(nèi)摩擦角，其本構(gòu)采用非線性、各向同性模型，并考慮巖體的彈塑性及大變形，加固的錨桿采用彈塑性的材料模型。

表1 高速公路隧道模型的材料參數(shù)

2.2 有限元計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比

在實(shí)際施工過(guò)程中，隧道圍巖沉降是一個(gè)復(fù)雜的綜合作用的

過(guò)程，其中包含的因素有巖石的自然演化，圍巖在開(kāi)挖過(guò)程的人工的擾動(dòng)，自然的微小地震作用等，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)都可以測(cè)量到，表2給出了有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，根據(jù)結(jié)果分析，有限元分析與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，計(jì)算值的結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差控制在15%以內(nèi)，這在工程應(yīng)用中是可取的，且有限元結(jié)果都比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果要偏小，說(shuō)明還有其他因素對(duì)地表沉降有影響，但是根據(jù)誤差分析來(lái)看這些因素對(duì)地表沉降的影響很小，因此隧道開(kāi)挖過(guò)程中，影響地表沉降的主要因素是圍巖的力學(xué)參數(shù)和重力分布。

表2 K215+124處地表橫斷面沉降的有限元結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)山西省某高速公路隧道的開(kāi)挖過(guò)程的地表沉降的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，以及通過(guò)與有限元計(jì)算軟件分析地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到了數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好，影響地表沉降的主要因素是圍巖的力學(xué)參數(shù)和重力分布。通過(guò)對(duì)公路隧道施工現(xiàn)場(chǎng)地表沉降的監(jiān)測(cè)可以得到有關(guān)地表沉降的具體數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可為施工過(guò)程中需要采取加固的點(diǎn)提供依據(jù)。通過(guò)有限元計(jì)算可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未施工斷面的地表沉降情況，為后續(xù)工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

[1] 張曉妮.高速公路隧道中地表沉降監(jiān)測(cè)及有限元分析[J].湖南交通科技,2006,32(3):154-156.

[2] 王舉義.軟弱黃土公路隧道施工變形規(guī)律研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2010.

[3] 彭帥英.高速公路下伏多層采空區(qū)地表沉陷數(shù)值模擬及預(yù)測(cè)研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2013.

[4] 王生俊,賈學(xué)民,韓文峰,等.高速公路下伏采空區(qū)剩余沉降量FLAC-3D計(jì)算方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(19):3545-3550.

[5] 丁陳建.采動(dòng)場(chǎng)地殘余變形特征及預(yù)測(cè)模型研究——以307國(guó)道山西天子廟隧道場(chǎng)地為例[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2009.

[6] Frank Otto.Aspects of surfer and environment protection in German mining areas[J].Mining Science and Technology,2009(19):615-619.

[7] 張玉卓,仲惟林,姚建國(guó).巖層移動(dòng)的位錯(cuò)理論解及邊界元法計(jì)算[J].煤炭學(xué)報(bào),1987(2):21-31.

[8] 錢鳴高,繆協(xié)興.采場(chǎng)上覆巖層結(jié)構(gòu)的形態(tài)與受力分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1995,14(2):92-106.

[9] 繆協(xié)興,錢鳴高.采場(chǎng)圍巖整體結(jié)構(gòu)與砌體梁力學(xué)模型[J].礦山壓力與頂板管理,1995,12(21):312.

On test and numeric analysis of surface settlement of a expressway tunnels in Shanxi

Cui Honghu

(TaiyuanMunicipalPublicEngineeringQualityInspectionStation,Taiyuan030002,China)

The paper undertakes the site inspection over the surface settlement in the excavation along some expressway tunnel in Shanxi province, has the comparison with the data from the surface settlement ones with the finite element analysis, concludes the consistency of the numeric calculation and the tested results, and points out the major factors affecting the surface settlement are the dynamic parameter and gravity distribution of the surrounding rocks, so as to provide some reference for the consolidation points in the construction.

expressway, tunnel, surface settlement, site test, numeric analysis

1009-6825(2016)32-0194-02

2016-09-02

崔紅虎(1982- )，男，工程師

U452.11

A