城市隧道施工中复杂地层的变形及预测

李军

（衡水市交通运输局运输管理处，河北　衡水　053000）

城市隧道施工中复杂地层的变形及预测

李军

（衡水市交通运输局运输管理处，河北衡水053000）

地层的变形及预测是隧道施工中的关键问题。文中针对复杂地层中开挖隧道所引起的地层变形，阐述了围岩变形的过程，讨论了各因素对地层变形的影响；通过将地层的总变形看作各因素作用下变形的叠加，推导了实际工程中地层变形的预测公式。

隧道；复杂地层；地层变形；变形预测

隧道工程作为地下工程的一种，在其施工和使用阶段对地层变形有严格要求。这是因为地下工程受工程施工和地下环境影响较大，存在较高的安全风险。为了保证隧道工程的安全，需加强地层变形预测与控制。

要想合理有效地预测和控制复杂地层变形，首先要了解一般地层条件下隧道施工影响地层变形的机理，进而研究在复杂地层条件下隧道施工对地层变形的影响。一般认为隧道施工对上覆土有扰动影响，进而导致土中应力释放，土的细观结构遭到破坏，进一步扩散至地层四周及地表，使地表出现沉降槽，地层产生沉降变形。基于这种破坏机理，为了研究方便，通常情况下对地层作连续介质假设。这种方法在均质地层条件下是合理可行的，但在复杂地层条件下，土的细观结构对地层变形的影响较明显，连续介质假设的计算结果误差会较大。该文从复杂地层条件下细观结构变化影响地层变形的机理入手，研究地层细观结构的破坏模式，以期更加准确地评估隧道工程施工影响下的地层变形。

1　隧道施工对地层变形的影响

地层受隧道施工影响的本质是细观结构遭到破坏，土中应力释放，宏观上表现为地表沉降。在整个隧道施工过程中，地下环境在不断变化，同时地层结构特性也随着这种变化而变化，地层的变形、破坏是在一个动态过程中发生的。因此，隧道施工对地层变形的影响不是单一因素的结果，而是一个复杂多因素的过程。

地层变形受隧道施工的影响是一个复杂的过程，这种影响集中体现为隧道围岩的变形。隧道施工过程中，围岩的变形包括以下三类：第一类是超期变形，这种变形位于掌子面前方；第二类是急剧变形，这种变形处于掌子面还未进行支护处理的后方；第三类是在对隧道开挖施加支护后的变形，这种变形比前两种开展缓慢，相对较稳定。这三类变形并不是独立存在的，而是存在于一个变形过程，是隧道围岩变形的3个阶段（如图1所示）。3个阶段的变形量主要受地层条件、开挖方法、埋深及支护措施等因素的影响。

图1　隧道施工对围岩变形的影响

隧道施工对地层变形的影响宏观上表现为地表沉降槽的产生。找到这种影响的数学模型，对于实际问题的研究具有极大意义。根据Peck R.B.的研究，地表沉降槽大致服从正态分布，由此进一步可确定沉降的最大宽度（如图2所示）。从图2可见，随着埋深的增大，沉降槽的深度逐渐增大，然后减小，但变化率先减小后增大。

图2　地表沉降槽分布

2　复杂地层条件下地层变形的特点

通常情况下，根据不同因素在地层变形中所起作用的大小，地层变形可分为地层岩性控制变形、结构控制变形及环境控制变形。当地层条件和地下环境较复杂时，隧道施工对地层变形的影响更显著，这给地层变形预测与控制造成了很大难度。主要体现在以下两方面：

（1）地层条件复杂，围岩的特性不均匀，而且地层类别不尽相同，有土质地层和岩质地层，有的致密、有的疏散。在这种条件下，用传统方法预测地层沉降变形较困难，误差也较大。

（2）工程周围的环境多样化，对地层变形的要求格外严格。城市地下工程往往要面临地上密集的高楼大厦、地下纵横交错的管线，这使城市地下工程的施工环境变化无常。对施工的严格要求使得对地层变形的控制更加困难。

总之，复杂地层条件下的城市地下工程有着极高的安全风险。在这种情况下，如果忽略地层细观结构方面的影响，粗略地用连续介质假设对地层的变形与破坏进行分析，将会导致较大的误差。这在本身就高安全风险的城市地下工程中是不允许的。

2.1复杂地层结构的特点

地层结构的复杂性一般体现在地层的不连续、层理结构复杂引起的地层各向异性及地层中其他构筑物或水的存在造成的地层不均匀性，复杂地层其实是一种各向异性、不连续的复合结构，其变形特性受多种因素影响，是地层整体性质作用的结果。地层结构的这种复杂性，正是预测和控制隧道施工影响地层变形需攻克的难题。

2.2连续介质情况下地层变形的特点

隧道施工影响下的地层变形一部分来自于应力释放造成的沉降，这部分变形较稳定，也容易预测，可由连续介质条件下的力学方法进行近似估算。这种计算结果在均匀稳定的地层条件下是可接受的，也得到了大量实际工程的验证。但值得注意的是，这部分变形不是地层的全部变形，只是由隧道施工造成应力释放而产生的地层变形。

对于复杂的地层结构，大量实际工程说明这种计算方法得出的结果与实际情况存在较大偏差，这主要是因为复杂地层结构条件下，连续介质假设与实际的不连续、不均匀地层结构相悖。针对这种情况，一些学者提出减小地层参数的概化计算方法。而这种方法的计算结果很大程度上取决于对地层结构整体性质的评估。对于地层条件较简单、地层较均匀的工程而言，这种概化计算方法的计算结果是可行的，但对于地层结构复杂的城市地下工程，这种方法同样不是很可靠。

2.3地层结构性影响机理

地层结构性对地层变形有十分显著的影响，其中地层细观缺陷在这种影响中发挥着非常重要的作用。其影响机理主要有单个缺陷结构的失稳、多个缺陷结构的失稳及缺陷结构的协调变形3种。

（1）地层细观缺陷引起的失稳。当地层中产生细观结构缺陷时，往往会引发地层一定范围的破坏，且随着破坏的开展及施工扰动的影响，地层细观结构缺陷会逐渐蔓延，进一步使地层破坏程度加大。这一过程会使地层大面积松散化，地层抵抗变形的能力大幅度下降，进而导致地层变形加大。地层细观结构缺陷的这一破坏机理，其影响程度主要取决于地层力学参数及缺陷性质，其破坏是一个逐渐发展的过程。

（2）多个地层细观缺陷的失稳机理。对于实际工程中的复杂地层，其细观缺陷往往不止一个，并且这些缺陷的性质与分布有较大的离散性。这种情况下的地层失稳一般是多个细观缺陷相互诱发、相互共同作用的结果。

（3）地层在缺陷结构影响下的协调变形。细观结构缺陷造成地层变形的本质是地层中应力释放。在一定条件下，由于施工的影响，这种应力释放并未表现为地层的失稳破坏，而是在地层内部发生协调变形。地层中的这种状态不仅与地层条件、周围环境及工程施工有关，还与细观结构的分布及性质有关，随机性很大。在实际工程中，这种状态将增大地下工程的安全风险。

3　复杂地层变形的预测

隧道施工影响产生的地层变形一般包括材料岩性控制变形、结构控制变形及环境控制变形三部分。在对复杂地层变形进行预测时，首先要对这3种变形分别进行计算，然后综合考虑隧道支护等其他影响因素对地层变形进行预测。

3.1材料岩性控制变形

对于这种类型变形的计算，通常是先将地层看作连续介质，即不考虑细观结构缺陷的影响，假设地层是均匀、连续的。用S1表示这部分沉降量，可用弹塑性方法计算，求解方法有数值方法和本构关系两种。隧道的施工方法、埋深及支护方式等是影响材料岩性控制变形的因素。由于连续介质的假设，这部分变形较稳定、均匀。

3.2细观结构控制变形

地层细观结构缺陷影响下的地层变形与沉降更为复杂，由于缺陷的随机性，变形和沉降表现出非线性，并且受空间关系影响较大。用S2表示这部分沉降量，可采用数值方法进行计算。结构的几何特性、地表荷载及环境因素也影响着这部分沉降量，增加了计算的复杂性与偶然性。因此，这部分沉降量较不稳定。

3.3环境控制变形

在施工降水过程中，土中的超孔隙水压力会逐渐消散，这种原因导致的沉降用S3表示。这部分变形可用土力学中的固结沉降原理计算，分瞬时沉降和固结沉降两部分进行计算。

由分层总和法可得最终沉降量为：

式中：n为土层数；Δpi为第i层土平均附加应力的增量，Δpi=hi/2γw；hi为第i层土的厚度；γw为水的重度；Esi为第i层土的体积压缩模量。

根据太沙基一维固结理论，各土层固结度为：

式中：Uti为各土层的固结度；TVi为时间因素，TVi=CVit/（ΔHi）2；CV i为第i层土层的固结系数，CV i=Ki（1+e0i）/（γwai）；Ki为第i层土的渗透系数； e0i为第i层土的初始孔隙比；ai为第i层土的压缩系数；双面排水条件下，ΔHi取第i层土层厚度的1/2。

瞬时沉降量为：

对于砂土层，其透水性较好，沉降一般在瞬时完成，此时可取瞬时沉降为总沉降。

3.4复杂地层的总变形量

复杂地层的总变形量由以上三部分组成，总变形量S为：

在实际工程中，复杂地层的总变形量受隧道施工影响，而且三部分变形量并不是完全独立的，它们之间往往存在相互作用，这种耦合作用使实际工程的变形量确定更加困难。因此，计算得出的总变形量会表现出一定的离散性和不稳定性。

4　结语

鉴于越来越多的城市隧道修建在复杂地层中，该文针对隧道施工所引起复杂地层的变形，阐述了地层变形的过程并总结了复杂地层变形的特点。此外，通过将复杂地层变形看作由材料岩性、结构和环境三部分所控制变形的叠加，推导了复杂地层的变形预测公式，为实际工程施工提供参考。

［1］侯艳娟，张顶立，李鹏飞.北京地铁施工安全事故分析及防治对策［J].北京交通大学学报，2009，33（3）.

［2］张成平，张顶立，王梦恕.浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制［J].岩石力学与工程学报，2007， 26（增刊2）.

［3］张成平，张顶，王梦恕，等.城市隧道施工诱发的地面塌陷灾变机制及其控制［J].岩石力学，2010，31（增刊1）.

［4］刘纪峰，刘波，陶龙.基于弹塑性分析的浅埋盾构隧道地表沉降控制［J].沈阳建筑大学学报：自然科学版， 2009，25（1）.

［5］刘江峰，漆泰岳，旷文涛.“先隧后站”法施工引起地表沉降分析［J].铁道标准设计，2009（4）.

［6］白明洲，许兆义，时静，等.复杂地质条件下浅埋暗挖地铁车站施工期地面沉降量FLAC3D分析［J].岩石力学与工程学报，2006，25（增刊2）.

［7］王霆，罗富荣，刘维宁，等.地铁车站洞桩法施工对地层和刚性接头管线的影响［J].岩石力学，2011，32（8）.

［8］Peck R B.Deep excavations and tunneling in soft ground［A].Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering ［C].1969.

［9］张顶立，李倩倩，房倩，等.隧道施工影响下城市复杂地层的变形机制及预测方法［J].岩石力学与工程学报， 2014，33（12）.

［10］刘惠涛.武汉地铁浅埋暗挖隧道施工地面沉降控制研究［D].武汉：华中科技大学，2011.

［11］吴波.复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降研究［D].成都：西南交通大学，2003.

［12］赵杰，王桂萱，张国强，等.隧道开挖引起的建筑物地表沉降及控制措施研究［A].隧道、地下工程及岩石破碎学术研讨会论文集［C].2007.

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1671-2668（2016）01-0218-03

2015-11-18