某节理岩体隧道开挖引起地表沉降离散元数值分析

高 振 光

(山东省建设监理咨询有限公司，山东 济南 250001)

地下工程开挖引起周围岩土体应力发生改变，发展到地表，引起地表沉降。一般认为，隧道开挖引起地表沉降呈现正态分布曲线方式[1-3]。目前，针对隧道开挖引起地表沉降计算方法主要有公式法和数值模拟法。公式法最常用的是peck公式，该公式需要大量的该地区的已知沉降资料，进行参数拟合，确定出计算参数，然后才能够准确计算出该地区隧道开挖引起地表沉降值。目前主流的数值模拟主要采用基于连续介质理论的数值模拟软件来进行模拟[4-7]，如Midas，FLAC等，这种基于连续介质的数值模拟软件进行模拟虽然解决了很多工程实际问题，但同时也存在一些问题，特别是遇到节理岩体，很难进行准确计算。本文主要采用UDEC这种离散元数值模拟软件，针对节理岩体浅埋隧道开挖引起地表沉降进行模拟，为相关工程提供技术参考。

1 工程概况

该隧道为公路隧道，本研究针对隧道300 m(ZK1+810～ZK2+110)长的区间段开展研究，洞周宽14.4 m，为单向三车道，该公路隧道设计时速80 km/h；横断面设计参数见图1。

区间段所需工程材料见表1。

表1 工程所需要的工程材料表

经过地质勘察可知，ZK1+810～ZK2+110研究区间段围岩级别为Ⅱ级，该围岩所需支护类型和参数见表2，隧道埋深18 m～26 m，隧道深度开挖范围内，主要为基岩裂隙水。

2 数值模拟

2.1 模型的建立

采用UDEC数值模拟软件进行建模。模拟时，采用Mohr-Coulomb准则，进行全断面法开挖。模型取隧道K1+810断面作为试验研究断面。隧道横断面如图1所示，模型横向取70 m，高50 m，拱顶到地面高度为25.17 m，模型厚1 m。岩体中存在两组节理，节理迹长为5 m，节理间距为2 m，一组节理倾角为73°，另一组节理倾角为60°，模型如图2所示。

表2 支护类型及结构衬砌参数表

依据地勘资料以及现场对断面上的节理素描，模型中岩体参数如表3所示。

表3 岩层变形与强度参数

2.2 节理岩体浅埋隧道开挖引起地表沉降特征分析

通过对2.1节所建模型进行全断面开挖，模拟结果如图3所示，地表沉降曲线如图4所示。沉降特征分析：

1)节理岩体浅埋隧道开挖引起地表沉降曲线呈现偏态性，而非正态分布曲线；地表沉降最大值并不在隧道中心线上，而是偏向一侧；

2)地表沉降横向影响范围并不是以隧道中心线为对称分布，倾角较大一侧影响范围小，但是受沉降影响剧烈；倾角较小一侧影响范围大，但是受沉降影响相对平缓；

3)节理岩体隧道开挖变形首先由岩体节理弱面产生滑移，并不断向上方地表传递，假设2组节理变形与强度力学参数相同，则这种变形传递过程中节理倾角、节理间距以及节理迹长对地表沉降偏态性起主要作用。

3 结语

节理岩体隧道开挖引起地表沉降采用离散元进行模拟很好地得到地表沉降非正态性的特征。通过UDEC离散元模拟和现场监测对比得出，节理岩体浅埋隧道开挖引起地表沉降曲线呈现偏态性，节理岩体隧道开挖变形由岩体节理弱面产生滑移，并不断传递到地表。