丁點(diǎn)點(diǎn)

（宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州234000）

0 引言

對于淺埋及軟土隧道，施工方法主要有：明挖法與淺埋暗挖法、地下連續(xù)墻法、蓋挖法及盾構(gòu)法[1~3]。采用暗挖法進(jìn)行隧道施工時(shí)，隧道開挖會(huì)對周圍巖土體產(chǎn)生較大擾動(dòng)，無論是采用新奧法、盾構(gòu)法，抑或是其他施工方法，都會(huì)引起巖土體在開挖空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。隧道的實(shí)際施工過程中，開挖前巖土體的體積與竣工時(shí)隧道體積之差稱之為地層損失，周圍巖土體為了彌補(bǔ)地層損失，引起相應(yīng)的地層運(yùn)動(dòng)、巖土體及地表發(fā)生移動(dòng)及變形[4，5]。對于地層中含水量較少或無水的情況，地表移動(dòng)與變形可認(rèn)為是由于隧道施工過程引起的地層損失造成的。

隧道施工引起的地表移動(dòng)與變形問題的研究源于對礦山巷道上方地表沉降現(xiàn)象的分析，對此，國內(nèi)外的學(xué)者們開展了大量的研究工作[6~10]。本文通過對《國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》中規(guī)劃的“第四橫”山西省境內(nèi)鴛鴦會(huì)隧道進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，來探討圍巖性質(zhì)對黃土隧道地表的影響，以期指導(dǎo)隧道安全施工，提高工程風(fēng)險(xiǎn)防范能力，對于減少開挖對地面和地下工程的影響以及保護(hù)地表環(huán)境具有十分重要的意義。

1 有限元模擬

有限元分析法已廣泛應(yīng)用于巖土與結(jié)構(gòu)工程分析領(lǐng)域。它的原理是把一個(gè)具體的連續(xù)體或結(jié)構(gòu)用一種近似等價(jià)物理模型來代替，該模型由多個(gè)彼此相關(guān)的單元體所組成，基于連續(xù)體及結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理和單元體的物理特性建立能夠表征力與位移關(guān)系的方程組[11，2]。

隧道開挖過程的有限元模擬利用在開挖邊界施加釋放載荷來實(shí)現(xiàn)。我們稱一個(gè)相對完整的施工階段為施工步，每一個(gè)施工步又包含了若干個(gè)增量步，因此，與施工步驟相對應(yīng)的開挖釋放載荷就可以在其增量步中依次釋放，這樣便可以相對真實(shí)地模擬隧道的施工過程。在具體的計(jì)算過程中，每一個(gè)增量步釋放的載荷量由相應(yīng)的釋放系數(shù)控制。

2 圍巖性質(zhì)對隧道地表變形的影響分析

以下取三種分不同性質(zhì)的圍巖：粉土、粉質(zhì)黏土和強(qiáng)風(fēng)化巖層進(jìn)行工況分析，通過改變隧道圍巖的力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而分析隧道開挖過程中不同的圍巖力學(xué)參數(shù)對地表沉降的影響程度。圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

隧道開挖采用環(huán)形留核心土法，開挖進(jìn)尺為2 m，建立如圖1數(shù)值模擬分析模型，采用三心圓（曲墻半圓拱形）斷面，拱半徑5.70 m，曲墻半徑8.20 m，上覆巖層厚度為30 m。

圖1 隧道有限元三維網(wǎng)格模型

隧道分別上覆三種巖土體開挖后的圍巖沉降等值線圖對應(yīng)圖2（a）~圖2（f）。從圖中可以看到，圍巖性質(zhì)差，對應(yīng)的強(qiáng)度和自承能力小，圍巖松動(dòng)圈會(huì)向外擴(kuò)展，同時(shí)隧道拱頂下沉和凈空收斂值較大。而隨著圍巖性質(zhì)的提高，因隧道開挖引起的位移變形會(huì)明顯變小，影響的范圍也縮小。

圖2 不同圍巖隧道施工圍巖沉降等值線云圖

三種不同圍巖對應(yīng)的控制點(diǎn)①、②、③、④處的位移如表2、表3所示。

表2 不同圍巖性質(zhì)對隧道左線位移影響 mm

表3 不同圍巖性質(zhì)對隧道右線位移影響 mm

三種不同的圍巖對應(yīng)三種不同的工況，將每個(gè)控制點(diǎn)位移進(jìn)行對比分析，以粉土為基準(zhǔn)，隧道左線中軸線正上方地表豎向位移粉質(zhì)黏土比粉土降低28%，右線降低9.6%；左線強(qiáng)風(fēng)化巖層比粉土降低96%，右線降低93.4%。隧道左線拱頂粉質(zhì)黏土下沉量比粉土下沉量降低54.5%，右線降低16.5%；左線強(qiáng)風(fēng)化巖層比粉土降低95.3%，右線降低91.6%。隧道左線拱底處粉質(zhì)黏土豎向位移比粉土豎向位移降低55.9%，右線降低12.2%；左線強(qiáng)風(fēng)化巖層比粉土降低91.2%，右線降低86%。隧道左線拱腰處粉質(zhì)黏土水平位移比粉土的水平位移降低36.8%，右線降低16.1%；左線強(qiáng)風(fēng)化巖層比粉土降低61.8%，右線降低54.4%。由此可見，隧道的圍巖力學(xué)參數(shù)對隧道拱頂下沉、凈空收斂、拱腰位移及地表豎向位移均有很大的影響，圍巖力學(xué)性質(zhì)越高，對應(yīng)的隧道拱頂下沉、凈空收斂、拱腰位移及地表豎向位移值越小。

3 結(jié)論

（1）隧道的圍巖力學(xué)參數(shù)對隧道拱頂下沉、凈空收斂、拱腰位移及地表豎向位移均有很大的影響，圍巖力學(xué)性質(zhì)越高，對應(yīng)的隧道拱頂下沉、凈空收斂、拱腰位移及地表豎向位移值越小。

（2）隧道上覆圍巖性質(zhì)越好，地表變形受開挖擾動(dòng)的影響就越小，洞周圍巖的變形也越小，因而根據(jù)圍巖的性質(zhì)，現(xiàn)場應(yīng)該選取合理的支護(hù)措施和支護(hù)時(shí)間，在圍巖能夠充分發(fā)揮其自承能力的情況下進(jìn)行初支，使二者充分發(fā)揮各自的作用。