不同土质下隧道掘进对周边土体及环境的影响

引言

隧道在不同土质下的掘进过程中，如果没有对其周边土体及环境进行详细研究，会导致掘进安全性低。隧道掘进会影响周围土体的应力变化，导致周边土体位移发展速度突增，土体变形的收敛速度加快。

本文以厦门某区间隧道工程为例，该隧道线路整体呈东西走向，起点位于直线上，中间段位于R=3000m的左拐曲线上，终点位于R=800m的右拐曲线上，线间距15.53m ～19m，左线采用6.603‰上坡，右线采用6.620‰上坡，区间设1#竖井作为盾构始发井。区间矿山法隧道下穿动走一线，与动走一线的交角为5°，区间隧道右线结构顶距动走一线结构底的距离为30.001m，左线结构顶距动走一线结构底的距离为30.021m。区间矿山法隧道下穿动走二线，与动走二线的交角为28°，区间隧道右线结构顶距动走二线结构底的距离为37.793m，左线结构顶距动走二线结构底的距离为37.821m。区间盾构隧道与福厦铁路的交角约为36°，区间隧道右线结构顶距福厦铁路结构底的距离为23.481m，左线结构顶距福厦铁路结构底的距离为23.519m。综合考虑地形地貌、地质及周边构筑物情况，于正线右SDK1+970处设置斜井，斜井起讫里程为K0-24 ～K0+358,纵坡13%，中部设置20m长缓冲平台,斜井仅作为施工临时通道，待隧道施工完成后两端采用钢筋混凝土墙封堵永久封闭。

矿山法隧道从斜井与区间正线交接处(即正线右SDK1+970)开始开挖，准备设置4个工作面[1]。目前斜井已开挖完成，二衬及仰拱在持续施工中；1#竖井与涉铁段起点之间的直线距离大约257m，从1#竖井至涉铁段起点，隧道左线开挖约160m，右线开挖约120m，开挖在持续推进中。基于此工程背景下，为保证不同土质下隧道掘进的安全，本文针对不同土质下隧道掘进，对周边土体及环境的影响进行分析。

1.不同土质下隧道掘进对周边土体的影响

1.1 改变周围土体的应力

由于隧道掘进时土体应力会随着隧道中心线的深度不同而产生变化，在粉黏土土质下，考虑到粉黏土的渗透系数较低，因此会产生大量的超孔隙水压力[2]。在粉砂土土质下，渗透系数很高，因此超孔隙水压力极其微弱，可以不进行计算。通过计算隧道掘进对周边土体的总应力，分析周围土体的应力历史变化，将隧道掘进的全过程分为四个阶段：第一阶段是刀盘到达前，粉黏土土质下的超孔隙水压力会急剧增大，覆土压力也会随之增加；粉砂土土质下的超孔隙水压力基本不变，应力保持稳定状态。第二阶段是盾构机通过时，由于盾构机与地面摩擦会导致盾壳摩擦力增大，使得粉黏土土质的土体被挖除所产生的应力释放，竖向应力形成一个土拱；而粉砂土土质的土体竖向应力迅速沉降。盾构机通过时周边土体的应力可通过应力变化比的计算公式表示，设应力变化比为，则其计算公式如公式（1）所示。

1.2 周围土体的体积压缩

隧道掘进对周边土体的应变路径影响取决于土体体积压缩的状态，在刀盘通过时，无论是粉黏土土质还是粉砂土土质均处于体积膨胀的状态，此时剪应力增大[4]。在盾构机通过时粉黏土土质和粉砂土土质处于体积压缩的状态，剪应力也随着体积的缩小而减少。盾尾脱出至二次注浆时，两种土质下的剪应力基本稳定。二次注浆之后，会出现横向沉降槽，隧道掘进后周围土体的应变路径与反弯点位置基本一致。

1.3 周围土体的塑性发展

通过对比不同土质下隧道掘进时周边土体的初始状态和最终状态可以看出，周围土体呈现出塑性发展趋势[5]。地表土体的平均主应力会明显提高，而隧道周围的土体平均主应力会明显下降，在隧道上方的土体平均主应力基本保持不变。这是由于当刀盘通过考察断面时，盾尾空隙对周围土体的卸荷影响。但隧道掘进对周边土体的塑性发展影响持续时间较短，在施工完成后无需人为操作即可自动完成修复。综上所述，在分析不同土质下隧道掘进对周边环境的影响后得知，大部分隧道掘进对周边环境产生的消极影响均可以通过土体的修复功能自动修复，对于极特殊情况可以采取相应的措施进行人工干预。

2.不同土质下隧道掘进对周边环境的影响

在分析不同土质下隧道掘进对周边环境的影响中，必须预先明确厦门某隧道工程涉铁段周边环境平面图（图1）。

结合图1所示，本文针对不同土质下隧道掘进对周边环境的影响主要从以下3个部分进行重点分析。

图1 隧道工程涉铁段周边环境平面图

2.1 拱顶沉降

针对不同土质下隧道掘进对拱顶沉降调查分析可知，不同土质下隧道掘进对拱顶沉降存在差异较大的现象[6]。因此，本文将不同土质下的拱顶沉降信息进行汇总分析，得出分析结果如表1所示。

2.2 地表竖向位移

由于隧道掘进产生的盾壳摩擦力会对地表起到附加推力的作用，可以通过计算地表竖向位移，得出隧道掘进对地表竖向位移的具体影响，设不同土质下某一点的坐标为该点在盾壳摩擦力下产生的地表竖向位移的计算公式，如公式（2）所示。

表1 不同土质下的拱顶沉降信息汇总分析

2.3 隧道内净空收敛

为了研究不同土质下隧道掘进对隧道内净空收敛的影响，本文采用隧道净空收敛量测的方法在断面内布设测点，分别在不同土质下构成3条基线测量基线方向上相对位移，设基线方向上相对位移为，其计算公式，如公式（3）所示。

3.结语

本文针对不同土质下隧道掘进对周边土体及环境的影响研究发现：隧道掘进对周边土体的塑性发展影响持续时间较短，在施工完成后无需人为操作即可自动完成修复；随着盾构阶段的递增，隧道内净空收敛的影响会完全消除。因此，不同土质下隧道掘进对周边土体及环境存在负面影响，但影响不大。通过以上研究，能够为不同土质下隧道掘进的进一步研究提供一定的借鉴和参考。由于表征影响的能力参差不齐，对其差异性未作出详细解释。在日后的研究中，可以加大对该方面的研究力度。