山西某高速公路隧道地表沉降的检测和数值分析

崔 红 虎

(太原市市政公用工程质量监督站，山西 太原 030002)



山西某高速公路隧道地表沉降的检测和数值分析

崔 红 虎

(太原市市政公用工程质量监督站，山西 太原 030002)

现场监测了山西省某高速公路隧道开挖过程的地表沉降数据，并将其与有限元计算分析的地表沉降数据作了对比，得到的数值计算结果与实测结果吻合良好，指出影响地表沉降的主要因素是围岩的力学参数和重力分布，为施工过程中需要采取加固的点提供了依据。

高速公路，隧道，地表沉降，现场检测，数值分析

当今社会，随着我国综合国力的提升，中国作为全球第二大经济体，交通运输成为中国经济建设中不可缺少的一环，势必也对我国交通运输体系提出了更高的要求，高速公路的建设更需要大力的发展。在施工过程中，高速公路不可避免地需要穿过隧道和地质结构比较松软的区段，在这种情况下道路不可避免会出现沉降以及地下隧道的开采沉降[1-3]。山西省属于黄土高原地区，整体地质比较松软，地质坚硬的地方相对较少；并且有些高速公路和铁路修建在一些老矿区和新矿区的待采区范围内，因此在修建高速公路的时候势必会考虑地质的沉降和隧道开挖过程中的开采沉降问题。如山西的石太高速公路、晋焦高速公路、天子庙隧道，许多公路隧道段需要跨越很大范围的采空影响区[4,5]。

高速公路隧道具有断面的面积大、隧道的长度长的特征，且公路隧道一般所处的自然环境条件复杂多变，山西省属于黄土高原地区，整体地质比较松软，地质坚硬的地方相对较少，不良地质条件给隧道施工带来了很大的危险性和多变性，在施工过程中极易引起隧道上方岩石的崩塌和透水事故。由于天然岩石结构在自然演变的过程中存在孔洞和裂纹等缺陷，不仅体现在宏观上也体现在微观上，有些空洞和裂纹在外力作用下极有可能会产生应力集中和裂纹扩展，所以高速公路隧道在修建过程不可避免会产生大量的人工扰动，加之岩体结构的密实度很低，这些扰动和岩石特性都会给隧道施工带来很危险的后果。同时在工程完工之后，隧道在使用过程中也会产生各种外界载荷作用，其中包括路基载荷、车辆行驶载荷、自然扰动等外力作用。隧道上方的岩石可能在这样的载荷作用下，原来处于随遇平衡的岩石结构发生局部密实现象，最终导致隧道地表发生沉降。地表沉降在工程中是不可避免的，但是需要根据施工情况将其控制在一定的范围之内，如果隧道地表沉降值超过临界沉降值，那么这种情况在技术上给工程建设者带来了极大的挑战，也可能会伴随突发的、严重的安全事故[6,7]。因此高速公路隧道的地表沉降及如何控制地表沉降成为广大研究者的一个重要研究课题。国内外许多学者对公路隧道在施工过程中的隧道地表沉降问题以及隧道地表沉降带来的其他的力学特征进行了研究，但是由于不同地质条件和施工参数的变化，使得研究结果无法通用。由于高速公路在施工过程中引起的地面沉陷会导致地面局部的应力集中和大变形，这对隧道正常使用产生很大的影响，因此开展高速公路隧道地表沉降的研究对未来高速公路的选线、修建及安全使用具有重要的意义。本文通过对山西省某高速公路隧道的开挖过程的地表沉降的现场监测，以及通过与有限元计算软件分析地表沉降数据进行对比分析，得到影响地表沉降的主要因素。通过对公路隧道施工现场地表沉降的监测得到有关地表沉降的具体数据，为后续工程的设计与施工提供参考。

1 公路隧道地表沉降的监测

本文研究的山西某高速公路隧道属于上行线和下行线通过岩层分离的双向四车道隧道。隧道围岩属于Ⅲ类～Ⅳ类围岩，中上部围岩为凝灰质砂岩及含煤地层，下部为细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩，底部为砾岩，含砾粗砂岩，围岩表层为粘土及粘土和碎石混合物。隧道边界净宽12.34 m，净高6.2 m，净空面积为64.34 m2，最大埋深40 m，整体结构为三心近似圆。该高速公路隧道采用新奥法施工，Ⅲ类围岩采用双台阶法施工，上台阶采用的是面内爆破，下台阶采用的是预裂爆破，开挖后并分别施工初期支护结构，Ⅳ类采用全断面法施工。分别将41个监测点布设在该高速公路段两侧，共进行为期30 d的监测周期，在隧道横截面上共布置3个地表变形测斜孔。图1为监测点横断面示意图，隧道中线上方布置1个监测点，其他40个监测点分别向两边分布，分布规律一般是在隧道中线附近位置的测点应布置密集，越远离隧道中线，测点的布置位置越稀疏。监测点所处的断面必须是闭合断面，且闭合差需要满足公路隧道施工的相应规范。

图2给出了K215+124处的5处地表横断面及隧道中心线测点的沉降曲线。随着时间的延长，隧道地表的沉降值逐渐增大，K215+124断面D35点沉降最大，为14.5 mm；该点位于隧道中线位置，整体沉降值从中心向两侧逐渐减小。

2 地表沉降变形有限元计算

2.1 高速公路隧道有限元模型

基于对高速公路隧道地表横断面及隧道中心线测点的沉陷测量，本文通过采用有限元软件ANSYS对高速公路隧道地表沉陷进行数值模拟。该高速公路隧道采用新奥法施工，Ⅲ类围岩采用双台阶法施工，上台阶采用的是面内爆破，下台阶采用的是预裂爆破，开挖后并分别施工初期支护结构，Ⅳ类采用全断面法施工。该高速公路隧道埋深为40 m，属于浅埋式隧道，隧道全长500 m，对于有限元模型取拱顶半径R=6.1 m,洞高H=6.2 m，宽度B=12.34 m，水平方向左右各取38.83 m，隧道底部以下取43.8 m。隧道围岩属于Ⅲ类～Ⅳ类围岩，采用新奥法施工，围岩采用双台阶法施工，上台阶采用的是面内爆破，下台阶采用的是预裂爆破，开挖后并分别施工初期支护结构，所以先取开挖长度为10 m。根据实际中公路隧道的设计规格，建立的隧道模型范围根据弹塑性理论影响范围选取[8,9]，取不小于3倍～5倍的隧道直径B。对于该模型尺寸设置为长度为90 m(x轴)，宽度为60 m(y轴)，深度为70 m(z轴)，上部覆土层厚度为10 m。

岩石定义为实体单元，锚杆定义为固定于岩体内的杆单元，长度为6 m，忽略钢筋网及纵向连接筋的建模，对于施工中隧道表面的混凝土喷涂层可以简化定义为壳单元，厚度为0.65 m。图3为高速公路隧道的有限元模型，该有限元模型的边界条件采用接近实际情况的设定，隧道上层岩石表层设定为自由边界；两侧围岩边界分别受到x轴方向的位移约束，隧道的围岩下部边界受到y轴方向的位移约束，前后边界受到z方向的位移约束。本文考虑自重产生的初始竖直应力场，设定重力加速度为9.806 65 m/s2。对于水平初始应力场的选取一般为初始竖直应力场的0.9倍。

表1给出了高速公路隧道有限元模型的材料参数。其中混凝土喷涂层的材料属性采用线弹性模型，围岩的屈服准则Druker-Prager准则(D-P准则)，其中考虑了岩石的粘聚力和内摩擦角，其本构采用非线性、各向同性模型，并考虑岩体的弹塑性及大变形，加固的锚杆采用弹塑性的材料模型。

表1 高速公路隧道模型的材料参数

2.2 有限元计算和实测数据的对比

在实际施工过程中，隧道围岩沉降是一个复杂的综合作用的

过程，其中包含的因素有岩石的自然演化，围岩在开挖过程的人工的扰动，自然的微小地震作用等，在现场检测都可以测量到，表2给出了有限元计算结果和实测数据的对比分析，根据结果分析，有限元分析与实测数据吻合较好，计算值的结果和实测数据的误差控制在15%以内，这在工程应用中是可取的，且有限元结果都比实测数据结果要偏小，说明还有其他因素对地表沉降有影响，但是根据误差分析来看这些因素对地表沉降的影响很小，因此隧道开挖过程中，影响地表沉降的主要因素是围岩的力学参数和重力分布。

表2 K215+124处地表横断面沉降的有限元结果和实测数据对比表

3 结语

本文通过对山西省某高速公路隧道的开挖过程的地表沉降的现场监测，以及通过与有限元计算软件分析地表沉降数据进行对比分析，得到了数值计算结果与实测结果吻合良好，影响地表沉降的主要因素是围岩的力学参数和重力分布。通过对公路隧道施工现场地表沉降的监测可以得到有关地表沉降的具体数据，该数据可为施工过程中需要采取加固的点提供依据。通过有限元计算可以准确预测未施工断面的地表沉降情况，为后续工程的设计与施工提供参考。

[1] 张晓妮.高速公路隧道中地表沉降监测及有限元分析[J].湖南交通科技,2006,32(3):154-156.

[2] 王举义.软弱黄土公路隧道施工变形规律研究[D].西安:长安大学,2010.

[3] 彭帅英.高速公路下伏多层采空区地表沉陷数值模拟及预测研究[D].长春:吉林大学,2013.

[4] 王生俊,贾学民,韩文峰,等.高速公路下伏采空区剩余沉降量FLAC-3D计算方法[J].岩石力学与工程学报,2005,24(19):3545-3550.

[5] 丁陈建.采动场地残余变形特征及预测模型研究——以307国道山西天子庙隧道场地为例[D].徐州：中国矿业大学,2009.

[6] Frank Otto.Aspects of surfer and environment protection in German mining areas[J].Mining Science and Technology,2009(19):615-619.

[7] 张玉卓,仲惟林,姚建国.岩层移动的位错理论解及边界元法计算[J].煤炭学报,1987(2):21-31.

[8] 钱鸣高,缪协兴.采场上覆岩层结构的形态与受力分析[J].岩石力学与工程学报,1995,14(2):92-106.

[9] 缪协兴,钱鸣高.采场围岩整体结构与砌体梁力学模型[J].矿山压力与顶板管理,1995,12(21):312.

On test and numeric analysis of surface settlement of a expressway tunnels in Shanxi

Cui Honghu

(TaiyuanMunicipalPublicEngineeringQualityInspectionStation,Taiyuan030002,China)

The paper undertakes the site inspection over the surface settlement in the excavation along some expressway tunnel in Shanxi province, has the comparison with the data from the surface settlement ones with the finite element analysis, concludes the consistency of the numeric calculation and the tested results, and points out the major factors affecting the surface settlement are the dynamic parameter and gravity distribution of the surrounding rocks, so as to provide some reference for the consolidation points in the construction.

expressway, tunnel, surface settlement, site test, numeric analysis

1009-6825(2016)32-0194-02

2016-09-02

崔红虎(1982- )，男，工程师

U452.11

A