(浙江同濟科技職業(yè)學院，浙江 杭州 311231)

1 案例工程背景

龍坪隧道穿越淺埋山谷復雜地層，圍巖地質包括泥質粉砂巖、粉砂質頁巖以及石英砂巖層，隧頂風化土層為1.50～3m左右，上覆巖層在5～25m左右，巖層普遍傾角在40°～45°之間。實施常規(guī)爆破挖掘，在穿越最低山谷部位時，地表發(fā)生塌陷，洞內出現(xiàn)塌方，終致塌陷塌方連通(見圖1)。

面對如此復雜軟弱的工程地質條件，控制擾動和盡可能保證理想的成洞質量，是重要的工程策略和技術選項。而了解和掌握擾動層與隧道初襯間的工程應力影響關系，又是達成或強化上述施工技術實現(xiàn)的不可缺少的基本技術環(huán)節(jié)。

圖1 案例隧道工程塌陷塌方現(xiàn)場

2 有限元模型參數簡介

模型45m×35m×40m(長×寬×高)，隧道模擬取3.50m×2.20m下矩和1.75m的上圓半徑。模擬風化土層深取3m，隧道山谷處上方取5m厚巖層。隧道周邊影響層考慮1.50m。巖層參數見表1。

表1 巖層模擬力學參數

表2 模擬分析工況

3 隧道施工擾動層與隧道初襯影響關系的模擬分析

3.1 擾動層與隧道初襯沉降與位移對比分析

3.1.1 工況一

隧道施工開挖至谷底位置時，計算其強、弱參數擾動層的圍巖典型斷面沉降分布值(見表3)，繪制對應條件下的斷面隆升沉降分布曲線(見圖2)。

表3 開挖至谷底位置典型圍巖斷面的沉降分布數值統(tǒng)計

圖2 開挖至谷底位置典型圍巖斷面的沉降曲線

表3和圖2揭示，在巖層黏聚力下調為0.35MPa后，無論沉降還是隆升均保持穩(wěn)定上升之勢，尤其是當巖層強度參數在70%以下時，圍巖位移變化最顯著，其中，沉降值的浮動變化表現(xiàn)為1.35～79.00，而隆升更是達到了1.20～850.00，但就整體來看，距離山谷越近位移變化越明顯，經實地勘察之后，決定以臨近圍巖為切入點進行開挖。在巖石強度參數得到進一步強化之后，沉降(隆升)值則明顯降低，只達到了弱參數條件下的2.2%～74.26%(3.33%～83.65%)。

隧道施工開挖至谷底位置時，計算其強、弱參數擾動層的圍巖典型斷面最大位移分布值(見表4)，繪制對應條件下的斷面位移分布曲線(見圖3)。

表4 開挖至谷底位置典型圍巖斷面的最大位移數值統(tǒng)計

圖3 開挖至谷底位置典型圍巖斷面的最大位移曲線

表4和圖3揭示，在巖石強度參數不斷增大的情況下，圍巖位移范圍則隨之縮?。坏窃谑艿奖频韧獠恳蛩赜绊憣е聨r層強度參數大幅度降低時，就會致使圍巖位移范圍快速擴大，而變化最為明顯的當屬臨近山谷及山谷這兩個位置。強參數的巖層最大位移都明顯小于弱參數的最大位移，并且在谷底前位置內的位移變化尤為明顯。

3.1.2 工況二

隧道施工挖過谷底7.50m位置時，計算其強、弱參數擾動層的圍巖典型斷面沉降分布值(見表5)，繪制對應條件下的斷面隆升沉降分布曲線(見圖4)。

表5 開挖過谷底7.50m位置典型圍巖斷面的沉降分布數值統(tǒng)計

圖4 開挖過谷底7.50m位置典型圍巖斷面的沉降曲線

表5和圖4揭示，在巖層黏聚力下調為0.35MPa后，無論沉降還是隆升均保持穩(wěn)定上升之勢，尤其是當巖層強度參數在70%以下時，圍巖位移變化最顯著，其中，沉降值的浮動變化表現(xiàn)為1.09～1.18，而隆升更是達到了1.02～1.13，但就整體上來看，距離山谷越近位移變化越明顯，而在巖石強度參數進一步強化之后，沉降(隆升)值則明顯減小，為弱參數條件下的84.88%～91.35%。

隧道施工挖過谷底7.50m位置時，計算其強、弱參數擾動層的圍巖典型斷面最大位移分布值(見表6)，繪制對應條件下的斷面最大位移分布曲線(見圖5)。

表6 開挖過谷底7.50m位置典型圍巖斷面的最大位移分布數值統(tǒng)計

圖5 開挖過谷底7.50m位置典型圍巖斷面的位移曲線

表6和圖5揭示，隨著開挖作業(yè)進程的不斷加快，在開挖到山谷位置時，盡管反映出強參數的巖層最大位移明顯小于弱參數的最大位移，不過兩者的位移變化幅度卻相對平穩(wěn)，并且在谷底前10～15m位置內的位移變化仍尤為明顯。在開挖到谷底之后，因襯砌支護工作做得非常到位，巖層黏聚力下調至0.35MPa后，在距離開挖工作面20m范圍內，巖層位移整體趨向平穩(wěn)，不過仍巖性較差，不可避免地出現(xiàn)了位移范圍擴大的問題，

3.1.3 工況三

隧道施工即將完工時，計算其強、弱參數擾動層的圍巖典型斷面沉降分布值(見表7)，繪制對應條件下的斷面沉降分布曲線(見圖6)。

表7和圖6揭示，在巖層黏聚力下調為0.35MPa后，無論沉降還是隆升均保持穩(wěn)定上升之勢，尤其是當巖層強度參數在70%以下時，圍巖位移變化最顯著，其中，沉降值的浮動變化表現(xiàn)為1.12～1.64，而隆升更是達到了1.03～1.32，但就整體上來看，距離山谷越近位移變化越明顯。

表7 開挖即將完工時典型圍巖斷面的沉降分布數值統(tǒng)計

圖6 開挖即將完工時典型圍巖斷面的沉降曲線

隧道施工即將完工時，計算其強、弱參數擾動層的圍巖典型斷面最大位移分布值(見表8)，繪制對應條件下的斷面最大位移分布曲線(見圖7)。

表8 開挖即將完工時典型圍巖斷面的最大位移分布數值統(tǒng)計

圖7 開挖即將完工時典型圍巖斷面的位移曲線

表8和圖7均明確反映了強參數的巖層最大位移都明顯小于弱參數的最大位移，不過在谷底位置的位移變化已不太顯著。

3.2 擾動層與隧道初襯應力對比分析

3.2.1 工況一

隧道施工開挖至案例谷底位置時，計算其強、弱參數擾動層的圍巖典型斷面有效主應力分布值(見表9)，繪制對應條件下的斷面有效主應力曲線(見圖8)。

表9 開挖至谷底位置典型圍巖斷面的有效主應力分布數值統(tǒng)計

圖8 開挖至谷底位置典型圍巖斷面的有效主應力曲線

在對表9和圖8進行全面分析后進一步了解到，在巖層黏聚力下調為0.35MPa后，就整體上來看，巖層斷面最大有效主應力保持快速增大之勢，尤其是當巖層強度參數在70%以下時，主應力變化最為顯著。分析后發(fā)現(xiàn)，在巖石強度參數不斷增大的情況下，圍巖應力分布范圍則隨之縮??；但是在受到爆破等外部因素影響導致巖層強度參數大幅度降低時，就會造成應力分布范圍快速擴大，而變化最為明顯的當屬臨近山谷以及山谷這兩個位置。

3.2.2 工況二

隧道施工挖過谷底7.50m位置時，計算其強、弱參數擾動層的圍巖典型斷面有效主應力分布值(見表10)，繪制對應條件下的斷面有效主應力分布曲線(見圖9)。

表10 挖過谷底7.50m位置典型圍巖斷面的有效主應力分布數值統(tǒng)計

圖9 挖過谷底7.50m位置典型圍巖斷面的有效主應力曲線

在對表10和圖9進行全面分析后進一步了解到，在巖層黏聚力下調為0.35MPa后，就整體上來看，巖層斷面最大有效主應力保持快速增大之勢，尤其是當巖層強度參數在70%以下時，主應力變化最為顯著，其中，壓應力的浮動變化表現(xiàn)為1.01～1.46，而拉應力更是達到了1.01～1.46，因為在實際計算的過程中是以超過山谷7.50m的位置為對象進行數據統(tǒng)計的，因此，通過獲取的數據分析結果得知該開挖斷面形成的拉應力明顯減小，而距離山谷位置越近，應力增大趨勢就愈加顯著，特別是拉應力浮動變化尤為明顯。

3.2.3 工況三

隧道施工開挖至案例谷底位置時，計算其強、弱參數擾動層的圍巖典型斷面有效主應力分布值(見表11)，繪制對應條件下的斷面有效主應力分布曲線(見圖10)。

表11 開挖至谷底位置典型圍巖斷面的有效主應力分布數值統(tǒng)計

圖10 開挖至谷底位置的有效主應力曲線

在對表11和圖10進行全面分析后進一步了解到，當巖層強度參數在70%以下時，距離山谷越近的位置形成的有效主應力就越大，同樣道理，距離山谷位置越遠的位置所形成的有效主應力就越小，其中，壓應力浮動變化表現(xiàn)為1.04～1.69～0.88，而拉應力更是達到了1.22～1.75～0.35。根據開挖段的應力分布情況可直觀發(fā)現(xiàn)，距離山谷位置越近，隨著巖層強度參數的不斷增大，壓(拉)應力分布趨勢就越不清晰，但在開挖過山谷之后的一段距離，即便巖層強度參數明顯減小，也沒有改變應力分布規(guī)律。在特殊情況下，反而出現(xiàn)了應力幅值因巖層參數提高而驟然增大的現(xiàn)象。

3.3 擾動層與隧道初襯塑性區(qū)分布對比分析

3.3.1 工況一

隧道施工挖至谷底位置時，計算其強、弱參數擾動層的圍巖典型斷面塑性區(qū)分布值。

在對開挖至谷底位置典型圍巖斷面初襯塑性區(qū)狀態(tài)進行全面分析后進一步了解到，在巖層黏聚力下調為0.35MPa后，就整體上來看，該開挖地段表現(xiàn)出較為明顯的塑性區(qū)分布差異，在強參數的條件下，只在洞口臨近斷面形成了小范圍的塑性區(qū)，而該段的圍巖破壞方式具體表現(xiàn)為兩種，一種是開挖之前的剪切破壞，另一種是開挖之前的拉破壞。而在弱擾動裝藥條件下，基本上整個開挖斷面均形成了嚴重的塑性區(qū)，而這種破壞不只局限于開挖之前，還涉及了當前開挖造成的破壞，并且圍巖的破壞方式主要以剪切破壞最為常見，拉破壞不是太嚴重，初襯結構完好無損，沒有遭到明顯破壞。

3.3.2 工況二

隧道施工挖過谷底7.50m位置時，計算其強、弱參數擾動層的圍巖典型斷面塑性區(qū)分布值。

對挖過谷底7.50m位置典型圍巖斷面初襯塑性區(qū)狀態(tài)的全面分析結果顯示：在巖層強度參數不斷增大的情況下，圍巖塑性區(qū)分布趨勢不太清晰，但是，在受到爆破等外部因素影響導致巖層強度參數大幅度降低時，圍巖就會因受到巨大的剪切力作用而形成大面積的塑性區(qū)。除此之外，經實地勘察及現(xiàn)場數據分析后進一步得知，初襯結構并未遭到破壞，原因在于圍巖塑性區(qū)擴大沒有影響到柔性初襯結構。由此說明，在弱擾動裝藥條件下的爆破不會對巖層造成重大破壞，可從源頭上保證成洞質量，最為重要的一點是，圍巖裂痕形成的概率大大降低，另外，由于能很好地控制圍巖塑性區(qū)分布范圍，為施工作業(yè)順利開展創(chuàng)造了便利條件，保證了隧道投入使用的安全性與可靠性。

4 結 論

本文參考案例工程，以有限元模擬分析法，對成洞質量差異條件下的隧道擾動層與隧道初襯影響關系，開展了針對性分析研究。主要結論：圍巖沉降位移受到擾動層強度變化的影響，埋深越淺的洞段，這種影響越明顯(比如山谷環(huán)境段)；巖層強度參數大幅度降低時，會造成應力分布范圍快速擴大，而變化最為明顯的當屬臨近山谷以及山谷這兩個位置；受到爆破等外部因素影響導致巖層強度參數大幅度降低時，圍巖會因受到巨大剪切力作用而形成大面積的塑性區(qū)；弱擾動裝藥爆破，使圍巖裂痕生成概率大幅降低，能很好地控制圍巖塑性區(qū)分布范圍，有利于提高軟弱地質條件隧道的成洞質量和安全施工。