隧道施工地層擾動特性解析

王朝軍

摘 要：為使公路工程施工安全、穩(wěn)定得到更大保障，相關人員應重視分析施作引起的地層變形情況，探析并掌握其遵照的規(guī)律。本課題研究基于有限元模型與有關基礎理論，分析隧道理論響隧道施工過程，伴隨拱頂沉降量增加施工影響范疇擴增，但當拱頂沉降增至某一值以后，在這樣的工況下地層構(gòu)造出現(xiàn)剪切破損，可以使用冪指數(shù)函數(shù)去表示地表沉降斜率和最大沉降量之間的關系。

關鍵詞：隧道工程;地層擾動;有限元;特性分析

0 引言

隧道施工以后，地層自身特性、施工參數(shù)及工藝應用等諸多因素均影響了地層變形情況。以公路盾構(gòu)區(qū)間隧道工程為實例進行分析，若存在盾尾同步注漿量不夠的情況，可能會引起地層出現(xiàn)較明顯的變形，施工作業(yè)風險相應增加。比如既往某市公路2#線某區(qū)段隧道盾構(gòu)掘進階段，部分環(huán)注漿量是0.1 m3，引起的沉降量達到了40.3 m，明顯超出了沉降控制范圍。從性質(zhì)上分析，隧道施工隸屬于復雜三維力學問題的范疇，傳統(tǒng)解析法很難求算出解析解，而數(shù)值分析法在解決該類問題方面表現(xiàn)出良好效能。有限元法作為當下常用的數(shù)值分析法之一，本文用其探究埋設與施工控制水平存在差異的工況下的地層變化規(guī)律。

1 隧道施工對地層的擾動機理

（1）掌子面受力失衡。盾構(gòu)機掘進階段到遇到復雜地層時，時常還會因推力與土壤排放量存在差異而造成掌子面受力不均衡，進而引起地層沉降或隆起現(xiàn)象。若盾構(gòu)機的推力偏大時，則會對掌子面之前的土體形成較大的擠壓作用，進而引起地表隆起情況，反之會出現(xiàn)地表不均勻沉降。

（2）盾殼和圍巖兩者的相互作用。盾構(gòu)機在前進階段，在摩擦力的作用下盾殼和圍巖之間會形成擾動區(qū)，在該擾動區(qū)范疇中，在盾殼自身摩擦剪切力的作用下，地層很容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破損的剪切滑動面，這是圍巖遭受最擾動的區(qū)段[1]。

（3）盾尾存有空隙與壁后注漿不徹底。在拖出盾殼以后，其和襯砌之間形成空隙，此時輸注的漿液尚未完全固結(jié)，漿液的強度不達標，圍巖在缺乏支撐的工況下會朝向內(nèi)側(cè)出現(xiàn)塑性變形，進而引起周邊巖體出現(xiàn)松動或塌陷情況。

（4）地下水位降低。若有水滲入或盾尾存在漏水部位時，地下水壓力相應增加，增加固結(jié)與變形情況發(fā)生的概率。此外，周邊的地下水還會持續(xù)流進，進而在隧道周邊形成動應力場，進一步提高了地層的有效應力水平，對地層的固結(jié)及二次固結(jié)變形過程均能形成促進作用。

2 建模

以S市公路某區(qū)間隧道工程為實例進行分析，建設三維有限元模型。參照本區(qū)間土層參數(shù)及盾構(gòu)隧道直徑數(shù)據(jù)。搭建出165 m×40 m×35 m（寬度X向×高度Y向×軸向長Z向）的三維有限元模型。把盾構(gòu)管片和圍巖兩者形成的注漿層等效成等代層，通過對該層力學參數(shù)進行科學調(diào)整，實現(xiàn)對施工變形控制水平的有效控制。

3 施工控制水平相同時地層變形遵照的規(guī)律

在等代層法內(nèi)，采用整頓彈性模量的形式去呈現(xiàn)出真實的施工控制水平。將彈性模量0.5 MPa設定成同個施工控制水平對應的條件，基于此探究隧道埋設差異化的工況下地層的改變規(guī)律，依次選埋深9.1 m、14.1 m、19.1 m、與23.1 m四種工況下進行建模測算。

勾畫地表及地層沉降和隧道埋深的關系圖，不難發(fā)現(xiàn)在相同的施工控制水平下，當埋設<19.1時，地表、地層及拱頂沉降均達到了峰值，當超出這一埋設值時，以上構(gòu)造的沉降量均有下降的趨向。但是伴隨埋深量值的增加，隧道上方有逐漸生成“塌陷拱”的表象，圍巖自身具備著一定承載能力，在這樣的工況下，隧道由淺埋隧道逐漸演變成深埋隧道。

本課題針對測算得到的影響半徑與工程場區(qū)實測結(jié)果（見表1）、PecK公式測算結(jié)果進行對照分析[2]。

在①式內(nèi)，R代表的是影響半徑，Ae呈現(xiàn)出了土層性質(zhì)及施工控制水平的參數(shù)信息，當彈性模量為0.5 MPa的工況下，Ae=2.08;Z為隧道工程的真實埋深。

因基于數(shù)值分析構(gòu)建出的模型內(nèi)隧道處于粉土與粉砂土共存的復合地層內(nèi)，造成由有限元測算得到的影響半徑要略長于PecK公式下的測算值。而實測到的影響半徑數(shù)據(jù)表現(xiàn)出一定離散性特征，多數(shù)實測值處于兩者之間。

解讀地表沉降斜率與埋深兩者之間的關系：當埋深偏小時，伴隨埋深值的增加，地表沉降斜率呈現(xiàn)出持續(xù)增加趨勢;但當埋設值達到14.0 m以后，地表沉降斜率便抵達峰值，隨后呈現(xiàn)出降低趨向，整體而言在0.66 mm/m～1.26 mm/m范圍中取值。

4 施工控制水平有差異時地層變形規(guī)律

選擇等代層彈性模量是0.5 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、

1.8 MPa、2.0 MPa這五種施工控制水平，探究不同埋深（9.1 m、14.1 m、19.1 m與23.1 m）下地層變形規(guī)律，地層變形結(jié)果統(tǒng)計在表2內(nèi)[3]。

在不同的施工控制水平下，隧道埋深存在差異時引起的地層變形規(guī)律也有一定區(qū)別，通過系統(tǒng)分析后，明確在相同埋深的工況下，地表沉降與拱頂沉降之間存在著線性關系;而當埋深不同時，兩者的斜率就會有所不同?？梢岳霉舰谌ケ硎粳F(xiàn)行關系：

在②式內(nèi)，Db、ADg代表的分別是地表沉降、拱頂沉降;A，B隧道埋深的影響參數(shù)。

埋深與拱頂沉降共同作用于隧道施工影響半徑的大小。當埋深持平、拱頂沉降偏小時，拱頂沉降和影響半徑之間存在正相關性，若拱頂沉降指標持續(xù)增加并抵達某一值時，隧道影響半徑會逐漸趨于恒定值。針對隧道施工的影響半徑，可以利用和拱頂沉降相關的二次函數(shù)表示，見公式③[4]：

在③式內(nèi)，AR、BR均代表的是埋深的影響參數(shù)。

可以把影響半徑與地表沉降擬合成冪指函數(shù)形式，見式④：

式內(nèi)，Ab、m同維隧道埋深的影響參數(shù)。

地表平均沉降斜率大小和地表沉降量值之間存在正比例關系，可以采用冪指數(shù)函數(shù)表示兩者的關系，見⑤式：

⑤式內(nèi)，代表的地表平均沉降斜率（mm/m）;、s是埋深的影響參數(shù)。

5 結(jié)束語

本文基于三維有限元模型研究埋深與施工控制條件不同時，隧道施工地層變形影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當埋深是19.1 m時，地表及地層沉降均能抵達峰值，超出以上這一埋深值后，地表、地層及拱頂沉降量均有降低趨勢，故而將19.1 m設定為深淺埋隧道兩者的分界線。埋設與施工控制水平均共同影響著隧道施工過程，伴隨拱頂沉降量增加施工影響范疇擴增，但當拱頂沉降增加到某一值后，地層構(gòu)造出現(xiàn)剪切破損，可以使用冪指數(shù)函數(shù)表示地表沉降斜率和最大沉降量之間的關系。

參考文獻：

[1]高坤，柯宅邦，童智能，等.結(jié)構(gòu)性軟土地層中后掘進隧道引起地表沉降計算模型分析[J].安徽建筑，2020，27（10）：74-76.

[2]高守棟，劉超，張子新，等.地面出入式盾構(gòu)隧道施工對周邊地層擾動研究[J].地下空間與工程學報，2020，16（3）：903-914.

[3]許桂生.大跨淺埋暗挖隧道近接橋樁施工擾動影響及控制技術(shù)研究[J].中外公路，2019，39（1）：185-189.

[4]尹榮申，楊偉超，張平平，等.多孔大斷面矩形頂管施工的地層變形特征及演化規(guī)律[J].鐵道科學與工程學報，2018，15（10）：2597-2605.