不同深跨比下浅埋偏压隧道地表变形规律研究

李 亮

(中铁十六局集团地铁工程有限公司，北京 100124)

不同深跨比下浅埋偏压隧道地表变形规律研究

李 亮

(中铁十六局集团地铁工程有限公司，北京 100124)

以福建省漳州至永安高速公路大隔尖隧道为工程背景，采用数值分析方法，研究了不同深跨比下浅埋偏压隧道地表变形规律。研究发现，浅埋偏压隧道开挖对地表的影响范围大小与隧道埋深成反比，隧道埋深越大，隧道开挖对地表影响越小。当单线和双线隧道深跨比分别为3.1和2.7时，隧道正上方地表已经几乎不受隧道开挖的影响。因此在工程施工中，对于浅埋偏压隧道而言，埋深越浅，越应重视施工对地表变形的影响，可以通过在地表一定范围内注浆来减小隧道开挖对地表的影响程度。

浅埋偏压隧道；深跨比；地表变形；数值分析

1 研究目的

随着我国基础事业的不断发展，路网的不断完善，隧道建设事业向复杂地形的山区发展，浅埋偏压隧道的数量日益增多[1-3]。我国是一个地形复杂的国家，山地面积占国土面积约三分之二，特别是中西部地区，地形复杂多变，山岭众多，在山区修建隧道，无论是铁路隧道还是公路隧道，很多隧道洞口选线时受自然地理环境及其它因素的影响，隧道洞口段往往是浅埋偏压的地形条件。隧道洞口段作为隧道咽喉，大多数情况存在浅埋偏压的现象，洞口段围岩风化程度较高，如果没有合理的施工和支护方案，容易引起洞口段的坍塌或冒顶事故[4-7]。

山东省青岛市地铁1期工程三号线重庆中路和京口路交汇处，福建省厦漳公路厦门段的雷公山隧道，陕西省新建太中银铁路吴家堡隧道的3#斜井，陕西省西安市地铁三号线胡家庙至东二环通化门区间，山西省石太客专南庄隧道的出口段，甘肃省兰新铁路小平羌口隧道，北京市地铁十号线苏州街车站，四川绵阳机场直通隧道洞口和贵州市织纳高速徐家寨隧道等隧道工程在施工过程中均发生了掌子面或浅埋段坍塌事故，造成了不良的社会影响和经济损失[8-10]。

大量隧道工程实践表明，诸多不确定因素影响着隧道工程施工安全，尤其是浅埋偏压隧道施工过程中频频发生的坍塌和冒顶事故已成为我国基础设施建设事业进一步发展的障碍，制约着我国经济与社会的可持续发展[11-12]。本文以福建省漳州至永安高速公路龙岩段A10合同段控制性工程——大隔尖隧道为工程背景，研究了不同深跨比下浅埋隧道地表变形规律。

2 不同深跨比下地表变形规律

2.1 工程背景

大隔尖隧道设计采用左右线分离形式，左洞全长1 012 m，右洞全长1 002 m，计算行车速度80 km/h。隧道进口位于直线段，出口位于平曲线上，左右线曲线半径为R=1 020m、R=1 012m。大隔尖隧道左洞Ⅴ级围岩682m，Ⅳ级围岩长度为90m，Ⅲ级围岩长度240m。大隔尖隧道右洞Ⅴ级围岩762m，Ⅳ级围岩长度为45m，Ⅲ级围岩长度195m。

2.2 计算模型和参数

为了分析浅埋偏压隧道开挖对地表变形影响，建立二维隧道分析模型，根据隧道埋深和跨度之比(简称深跨比)，比较分析不同深跨比下的浅埋隧道地表变形。

选取浅埋偏压的洞口段建立数值计算模型，所选区段围岩级别为V级。本模型隧道围岩范围选取大约隧道上方3倍的洞径，左右围岩厚度均为40 m，下方围岩厚度为30 m。计算模型隧道取50 m，围岩左右前后和下部分别施加径向约束，上部为自由边界，计算模型如图1所示。计算时本构模型有D—P和弹性本构模型，岩土材料的非线性按D—P材料处理，其中将围岩材料定义为D—P材料，将初期支护定义为弹性材料。V级围岩和初支物理力学综合计算参数如表1所示。

图1 计算模型

表1 V级围岩和初支物理力学参数

2.3 浅埋偏压隧道地表变形规律

分别建立双线隧道和单线隧道模型，双线隧道跨度为10 m，单线隧道跨度为7 m，两洞之间的净距取为10 m，建立二维隧道模型，用plane42单元模拟土体，用beam3单元模拟初期支护。采用台阶开挖法，考虑应力释放，上台阶开挖应力释放率为30 %，下台阶开挖应力释放率为50%，仰拱部分土体开挖应力释放率为70%。单线和双线隧道深跨比分别如表2和表3所示。单线和双线隧道各种深跨比引起地表竖向位移变化见图2、图3。

表2 单线隧道深跨比

表3 双线隧道深跨比

根据图2可以分析出，单线隧道深跨比小于等于3.1时，隧道的开挖已经影响到了地表变形，深跨比越小，右侧隧道正上方的地表受影响范围越大；随着深跨比的增大，地表影响范围逐渐越小，深跨比大于3.1时，地表变形几乎不受开挖的影响。按照深跨比的定义，深跨比3.1是单线隧道深浅埋的分界线，即为深浅埋隧道分界深度。

图2 单线隧道深跨比2.29～3.43竖向位移

图3 双线隧道深跨比2.1～2.9竖向位移

根据图3可以分析出，深跨比小于等于2.7时，隧道的开挖已经影响到了地表变形，深跨比越小，右侧隧道正上方的地表受影响范围越大；随着深跨比的增大，地表影响范围越小，深跨比大于2.7时，地表变形几乎不受开挖的影响。即按照深跨比定义，深跨比2.7是双线隧道深浅埋的分界线，即为深浅埋隧道分界深度。

图4反映了单线浅埋偏压隧道开挖对地表影响程度。当深跨比为2.29时，隧道正上方20 m范围内地表受隧道开挖影响较大，最大地表沉降值为7.2 mm；当深跨比为2.57时，隧道正上方15 m范围内地表受隧道开挖影响较大，最大地表沉降值为8.4 mm；当深跨比为3.1时，最大地表沉降值为1.4 mm，隧道正上方地表几乎不受隧道开挖的影响。

图4 单线地表影响范围

图5反映了双线浅埋偏压隧道开挖对地表影响程度。当深跨比为2.1时，隧道正上方15 m范围内地表受隧道开挖影响较大，最大地表沉降值为2.7 mm；当深跨比为2.3时，隧道正上方12 m范围内地表受隧道开挖影响较大，最大地表沉降值为2.5 mm；当深跨比为2.7时，隧道正上方地表几乎不受隧道开挖的影响，最大地表沉降值为1.1 mm。隧道埋深越浅，隧道开挖对地表的影响范围越大，随着埋深的加大，浅埋偏压隧道对地表影响可以不予考虑。在工程施工中，对于浅埋偏压隧道，埋深越浅，施工中对于地表变形及影响范围应给予足够的重视，在地表一定范围内，通过地表注浆减小隧道开挖对地表的影响程度。

3 结论

浅埋偏压隧道开挖对地表的影响范围大小与隧道埋深成反比，隧道埋深越大，隧道开挖对地表影响越小。

图5 双线地表影响范围

当单线和双线隧道深跨比分别为3.1和2.7时，隧道正上方地表已经几乎不受隧道开挖的影响。

当深跨比相同时，靠近深埋侧隧道的地表沉降大于浅埋侧。

在工程施工中，对于浅埋偏压隧道而言，埋深越浅，越应重视施工对地表变形的影响，可以通过在地表一定范围内注浆来减小隧道开挖对地表的影响程度。

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A Study of the Law of the Ground Deformation over a Shallow Tunnel of Different Depth-Span Ratios Under Unsymmetrical Loads

LI Liang

(The Subway Engineering Co. Ltd. of the 16th Bureau Group of China Railway,Beijing 100124,China)

With the Dagejian Tunnel of the Zhangzhou-Yong'an Expressway in Fujian Province as the engineering background, the numerical analysis method is applied to studying the law of the ground deformation over a shallow tunnel of different depth-span ratios under unsymmetrical loads in the paper.Our study shows that the size of the influential range of the effect of the excavation of the bias-pressured tunnel on the ground deformation is inversely proportional to the buried depth of the tunnel. The greater the buried depth of the tunnel is, the smaller the effect of the excavation of the tuunel on the ground deformation will be.When the depth-span ratios of a single-line tunnel and a dual-line tunnel are respectively 3.1 and 2.7,the ground right over the tunnel will nearly not be affected by the excavation of the tunnel.Therefore,as far as a shallow tunnel is concerned, in the course of construction, the shallower the buried depth of the tunnel is,the greater attention should be paid to the effect of the construction on the ground deformation. And the effect of the excavation of the tunnel on the ground deformation may be reduced by means of slip-casting concrete within a certain range of the ground.

shallow tunnel under unsymmetrical loads；depth-span ratio；ground deformation；numerical analysis

2016-07-13

李 亮(1984—)，男，工程师，主要从事隧道及地下工程方向研究工作。liliangzt16@sina.com

10.13219/j.gjgyat.2016.06.015

U456.3

A

1672-3953(2016)06-0058-04