覃可寬

(廣西長長路橋建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530003)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及現(xiàn)代化各項事業(yè)的不斷推進(jìn)，需要越來越多的交通設(shè)施來作為基礎(chǔ)支撐。以山區(qū)隧道為例，雖然前期施工周期較長、難度較大，但隧道貫通后可大大縮短交通里程，增加了交通運力并提高了生產(chǎn)效率，因此，隧道工程的作用在實際的生產(chǎn)和應(yīng)用中效果顯著。目前，國內(nèi)隧道工程的施工技術(shù)已逐漸成熟，具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)和技術(shù)專利的隧道施工技術(shù)大量涌現(xiàn)，尤其是在山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工中積累了相當(dāng)豐富的技術(shù)經(jīng)驗。

本文旨在通過對山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點的分析來總結(jié)影響隧道施工過程的主要因素，搭建穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型對復(fù)雜隧道施工過程中發(fā)生的地質(zhì)形變加以控制并進(jìn)行科學(xué)、合理的計算、評估，同時結(jié)合工程實例進(jìn)行驗證[1]。

1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點以及對隧道施工的影響

山區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)大多十分復(fù)雜，具體可表現(xiàn)為各類微觀構(gòu)造組成的不連續(xù)性地層、層理斷面所引起的各種異向地形、地表缺陷所引起的地質(zhì)差異、水量分布不均引起的富水性等。地質(zhì)條件的復(fù)雜性及特異性決定了山區(qū)地層的穩(wěn)定性通常較差、地層種類較多，部分山區(qū)地質(zhì)條件較為松散，給隧道施工造成了較大的困難[2]。

1.1 地層連續(xù)形變

對于山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下的地層連續(xù)形變而言，一般都具有較為相對的均勻性以及可預(yù)測性。通過連續(xù)地層介質(zhì)下的力學(xué)彈塑性理論可進(jìn)行預(yù)測，其中的形變程度與材料力學(xué)的參數(shù)、工程范圍以及實際的隧道施工方法相關(guān)，與此同時還與地層預(yù)處理過程以及預(yù)支護(hù)的具體措施相關(guān)。通常，采取數(shù)值的計算方法可涵蓋隧道施工理論的嚴(yán)謹(jǐn)性以及實際工程施工中的諸多優(yōu)勢，效果比較理想，目前被業(yè)內(nèi)工程界及學(xué)術(shù)界廣泛采用[3]。值得注意的是，此方法僅對較為完整以及均勻的地質(zhì)有效，且計算結(jié)果僅代表地層擾動下作為連續(xù)地層介質(zhì)所權(quán)衡的部分形變，而非地質(zhì)的全部形變，例如形變地層上方垮塌的范圍λ與碎脹系數(shù)k的關(guān)系如圖1所示。微觀結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)會造成地層不同程度的破壞及塌落，且松散狀態(tài)的土質(zhì)參數(shù)也會發(fā)生相應(yīng)的變化。

圖1 垮塌范圍λ與碎脹系數(shù)k的關(guān)系示意圖

1.2 地質(zhì)成分復(fù)雜不均

多數(shù)山區(qū)地形錯綜復(fù)雜，地質(zhì)成分各異，如大型卵石、巖溶地質(zhì)以及其他濕陷性、淤泥質(zhì)黏土成分等。此類復(fù)雜、特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)無疑給隧道工程的施工帶來極大的難度和挑戰(zhàn)。對于較陡區(qū)域以及其他易出現(xiàn)山體滑坡和泥石流的區(qū)域，在隧道施工過程中應(yīng)盡量避免對圍巖的擾動，并采取支護(hù)措施。在隧道開挖前需對隧道附近的復(fù)雜施工區(qū)域進(jìn)行實地勘探，比較常見的做法是采用直接法和間接法進(jìn)行探測，做到對隧道埋深、巖土類型以及地下水和其他不良地質(zhì)體的構(gòu)造、參數(shù)都有充分的掌握[4]。

1.3 復(fù)雜地質(zhì)對山區(qū)隧道施工的影響

復(fù)雜地質(zhì)的結(jié)構(gòu)性在地層形變的過程中具有非常重要的作用，對隧道施工的影響很大。對于地層微觀缺陷而言，所影響的方式主要是單獨缺陷的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、多缺陷地層間作用以及缺陷構(gòu)造的協(xié)調(diào)形變。在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和洞體擴(kuò)散方面，地層微觀缺陷中的失穩(wěn)經(jīng)常會觸發(fā)大范圍的地質(zhì)破壞，隨之而來的是地質(zhì)構(gòu)造的形變，并延伸到地表進(jìn)而形成沉降槽，最終致使地質(zhì)整體形變增加。當(dāng)因隧道施工而受到擾動后，地層微觀結(jié)構(gòu)便以特定的方式向周邊擴(kuò)散，且范圍將逐漸擴(kuò)大，形成大范圍的松軟地層，某種程度上來說使地層剛度降低，直接導(dǎo)致地層形變的增加[5]。

2 復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道施工的關(guān)鍵技術(shù)

對于山區(qū)中復(fù)雜地質(zhì)條件下的各類缺陷、結(jié)構(gòu)斷面、軟弱夾層、松軟土質(zhì)和地下沉積物來說，進(jìn)行隧道施工的難度顯著增加。如果對此類特殊而復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造處置不當(dāng)或所采取的隧道施工技術(shù)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，那么將會使施工過程中的地層進(jìn)一步發(fā)生形變。

2.1 搭建隧道施工穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型

對于隧道施工過程中的梁式結(jié)構(gòu)來說，松軟夾層等地層缺陷在此過程中呈現(xiàn)梁式擾動形式，具備特定的力學(xué)特性，可將該種缺陷體定性為梁結(jié)構(gòu)模型[6]。假設(shè)梁截面高度為h，寬度為單位長度，長度取缺陷結(jié)構(gòu)跨度l，地層側(cè)壓系數(shù)設(shè)為λ，縱向載荷為q，橫向側(cè)壓p=λq，在縱向力q作用下，結(jié)構(gòu)橫截面邊緣拉應(yīng)力σ1=ql2/2t2，在橫向側(cè)壓p的作用下，梁截面正應(yīng)力σ2=-λq，可知梁支座處最大拉應(yīng)力為σt=σ1-σ2=ql2/2t。2+λq，當(dāng)梁結(jié)構(gòu)端側(cè)受損后在中間處發(fā)生開裂現(xiàn)象時，便會形成三鉸拱的形式。通常這種三鉸拱具有暫態(tài)的穩(wěn)定性，且在特定的情況下如果引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)便會影響更深處的地層，因此，地層呈現(xiàn)出分組沉降形式。通過拱軸線定義可得AOB全部截面彎矩M及其剪應(yīng)力Q的值都為0，其穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

假設(shè)拱結(jié)構(gòu)跨距為l，拱高為h，拱頂載荷設(shè)置為q，地層側(cè)壓系數(shù)仍為λ，由整體受力可知，A、B支座的縱向反作用力為YA=YB=0.5ql，若取半拱結(jié)構(gòu)AO并對拱點O測距可得如下穩(wěn)定性公式：

0.5YA-XAh-0.5λqh2-0.125ql2=0

2.2 微觀地質(zhì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

對于山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)中的各類微觀構(gòu)造，不論以何種方式引發(fā)破壞或失穩(wěn)，對地層所引起的形變均可表現(xiàn)為特定的微觀構(gòu)造效應(yīng)。從這個層面來講，它們的影響趨于一致，但各種地質(zhì)類型的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性對地層的破壞程度和范圍卻可產(chǎn)生不同程度的影響，即其決定了地質(zhì)的形變程度[7，8]。對于具體的山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工而言，常存在多種類型的微觀地質(zhì)構(gòu)造，且各類型地質(zhì)間的互相作用與影響致使地質(zhì)形變效應(yīng)更加復(fù)雜化。例如相鄰地質(zhì)構(gòu)造間彼此互為失穩(wěn)誘因，因此，如何防止它們之間形變的階梯傳遞效應(yīng)是隧道施工過程中的控制重點。而結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)及失穩(wěn)后的相互連通對于形變來說則表現(xiàn)為共同作用的結(jié)果，此因素所引起的非線性形變量的增加需得到充分重視。

2.3 地質(zhì)預(yù)期形變評估

地質(zhì)結(jié)構(gòu)、隧道施工以及地表沉降間的相互作用表現(xiàn)為一定的動態(tài)過程，三者間的協(xié)調(diào)形變也是一個彼此耦合的過程。某種程度上來說，這種多類型結(jié)構(gòu)的動態(tài)約束和影響給隧道施工帶來了一定的技術(shù)難度，尤其是在山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工中，其特殊的時空變化階段為隧道施工區(qū)域地質(zhì)的勘探和安全風(fēng)險的預(yù)控帶來了一定難度。從目前已有的文獻(xiàn)和實際成功的隧道施工案例來看，地質(zhì)預(yù)期的形變主要分為：施工材料層面的彈塑性形變、微觀構(gòu)造層面的復(fù)合性形變以及環(huán)境因素所引起的固結(jié)性形變。在對上述幾種情況分別進(jìn)行分析、計算的同時應(yīng)考慮地層加固、隧道支護(hù)以及時效性的影響，通過專業(yè)的取值、分析后便可對山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工所引起的各類形變做出預(yù)期評估[9，10]。

3 試驗驗證及結(jié)果分析

表1 隧道區(qū)域地下水特質(zhì)明細(xì)表

根據(jù)所提出的隧道施工穩(wěn)定性預(yù)控模型，應(yīng)用到麗水下河塔隧道的施工方案中，通過對該區(qū)域復(fù)雜地質(zhì)的實地勘探，結(jié)果獲取到三層地下水，例如其中的上層滯水以大氣降水、江河水以及生活排水、管道滲漏為主，得出具體數(shù)據(jù)如表1所示。

在下河塔隧道的實際施工方案中，最先施工的4號線僅采用朝前灌漿以及逐步開挖的方法，而對于地層中的缺陷并未做任何處理，發(fā)生了過渡沉降的現(xiàn)象，因此，在后續(xù)的10號線施工中采用雷達(dá)探測的方法，以準(zhǔn)確把握地層中所有孔洞的數(shù)量和分布，但需在開挖隧道之前對地層缺陷作填充處理。為驗證所提出的隧道施工穩(wěn)定性模型，分別對下河塔隧道施工區(qū)域的地表沉降范圍進(jìn)行全程監(jiān)測，得出4號、10號線各斷面的沉降值，如圖3所示。

圖3 下河塔4號、10號線地表最大沉降值示意圖

由圖3斷面數(shù)據(jù)可知，4號、10號線在施工的過程中，所有時段的地表沉降值均在合理、可控的范圍內(nèi)，證明了所提出的基于山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工穩(wěn)定性控制模型的正確性。

4 結(jié)語

山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工技術(shù)一直以來都是學(xué)者們研究的重點問題，本文在分析了一系列影響隧道施工的重要因素之后，對施工過程中的穩(wěn)定性進(jìn)行了全面評估，并提出了保障隧道施工穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)模型，通過工程實例進(jìn)行試驗驗證，為其在山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工領(lǐng)域中應(yīng)用提供借鑒和參考。

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