隧道施工地层扰动特性解析

王朝军

摘 要：为使公路工程施工安全、稳定得到更大保障，相关人员应重视分析施作引起的地层变形情况，探析并掌握其遵照的规律。本课题研究基于有限元模型与有关基础理论，分析隧道理论响隧道施工过程，伴随拱顶沉降量增加施工影响范畴扩增，但当拱顶沉降增至某一值以后，在这样的工况下地层构造出现剪切破损，可以使用幂指数函数去表示地表沉降斜率和最大沉降量之间的关系。

关键词：隧道工程;地层扰动;有限元;特性分析

0 引言

隧道施工以后，地层自身特性、施工参数及工艺应用等诸多因素均影响了地层变形情况。以公路盾构区间隧道工程为实例进行分析，若存在盾尾同步注浆量不够的情况，可能会引起地层出现较明显的变形，施工作业风险相应增加。比如既往某市公路2#线某区段隧道盾构掘进阶段，部分环注浆量是0.1 m³，引起的沉降量达到了40.3 m，明显超出了沉降控制范围。从性质上分析，隧道施工隶属于复杂三维力学问题的范畴，传统解析法很难求算出解析解，而数值分析法在解决该类问题方面表现出良好效能。有限元法作为当下常用的数值分析法之一，本文用其探究埋设与施工控制水平存在差异的工况下的地层变化规律。

1 隧道施工对地层的扰动机理

（1）掌子面受力失衡。盾构机掘进阶段到遇到复杂地层时，时常还会因推力与土壤排放量存在差异而造成掌子面受力不均衡，进而引起地层沉降或隆起现象。若盾构机的推力偏大时，则会对掌子面之前的土体形成较大的挤压作用，进而引起地表隆起情况，反之会出现地表不均匀沉降。

（2）盾壳和围岩两者的相互作用。盾构机在前进阶段，在摩擦力的作用下盾壳和围岩之间会形成扰动区，在该扰动区范畴中，在盾壳自身摩擦剪切力的作用下，地层很容易出现结构破损的剪切滑动面，这是围岩遭受最扰动的区段[1]。

（3）盾尾存有空隙与壁后注浆不彻底。在拖出盾壳以后，其和衬砌之间形成空隙，此时输注的浆液尚未完全固结，浆液的强度不达标，围岩在缺乏支撑的工况下会朝向内侧出现塑性变形，进而引起周边岩体出现松动或塌陷情况。

（4）地下水位降低。若有水渗入或盾尾存在漏水部位时，地下水压力相应增加，增加固结与变形情况发生的概率。此外，周边的地下水还会持续流进，进而在隧道周边形成动应力场，进一步提高了地层的有效应力水平，对地层的固结及二次固结变形过程均能形成促进作用。

2 建模

以S市公路某区间隧道工程为实例进行分析，建设三维有限元模型。参照本区间土层参数及盾构隧道直径数据。搭建出165 m×40 m×35 m（宽度X向×高度Y向×轴向长Z向）的三维有限元模型。把盾构管片和围岩两者形成的注浆层等效成等代层，通过对该层力学参数进行科学调整，实现对施工变形控制水平的有效控制。

3 施工控制水平相同时地层变形遵照的规律

在等代层法内，采用整顿弹性模量的形式去呈现出真实的施工控制水平。将弹性模量0.5 MPa设定成同个施工控制水平对应的条件，基于此探究隧道埋设差异化的工况下地层的改变规律，依次选埋深9.1 m、14.1 m、19.1 m、与23.1 m四种工况下进行建模测算。

勾画地表及地层沉降和隧道埋深的关系图，不难发现在相同的施工控制水平下，当埋设<19.1时，地表、地层及拱顶沉降均达到了峰值，当超出这一埋设值时，以上构造的沉降量均有下降的趋向。但是伴随埋深量值的增加，隧道上方有逐渐生成“塌陷拱”的表象，围岩自身具备着一定承载能力，在这样的工况下，隧道由浅埋隧道逐渐演变成深埋隧道。

本课题针对测算得到的影响半径与工程场区实测结果（见表1）、PecK公式测算结果进行对照分析[2]。

在①式内，R代表的是影响半径，Ae呈现出了土层性质及施工控制水平的参数信息，当弹性模量为0.5 MPa的工况下，Ae=2.08;Z为隧道工程的真实埋深。

因基于数值分析构建出的模型内隧道处于粉土与粉砂土共存的复合地层内，造成由有限元测算得到的影响半径要略长于PecK公式下的测算值。而实测到的影响半径数据表现出一定离散性特征，多数实测值处于两者之间。

解读地表沉降斜率与埋深两者之间的关系：当埋深偏小时，伴随埋深值的增加，地表沉降斜率呈现出持续增加趋势;但当埋设值达到14.0 m以后，地表沉降斜率便抵达峰值，随后呈现出降低趋向，整体而言在0.66 mm/m～1.26 mm/m范圍中取值。

4 施工控制水平有差异时地层变形规律

选择等代层弹性模量是0.5 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、

1.8 MPa、2.0 MPa这五种施工控制水平，探究不同埋深（9.1 m、14.1 m、19.1 m与23.1 m）下地层变形规律，地层变形结果统计在表2内[3]。

在不同的施工控制水平下，隧道埋深存在差异时引起的地层变形规律也有一定区别，通过系统分析后，明确在相同埋深的工况下，地表沉降与拱顶沉降之间存在着线性关系;而当埋深不同时，两者的斜率就会有所不同。可以利用公式②去表示现行关系：

在②式内，Db、ADg代表的分别是地表沉降、拱顶沉降;A，B隧道埋深的影响参数。

埋深与拱顶沉降共同作用于隧道施工影响半径的大小。当埋深持平、拱顶沉降偏小时，拱顶沉降和影响半径之间存在正相关性，若拱顶沉降指标持续增加并抵达某一值时，隧道影响半径会逐渐趋于恒定值。针对隧道施工的影响半径，可以利用和拱顶沉降相关的二次函数表示，见公式③[4]：

在③式内，AR、BR均代表的是埋深的影响参数。

可以把影响半径与地表沉降拟合成幂指函数形式，见式④：

式内，Ab、m同维隧道埋深的影响参数。

地表平均沉降斜率大小和地表沉降量值之间存在正比例关系，可以采用幂指数函数表示两者的关系，见⑤式：

⑤式内，代表的地表平均沉降斜率（mm/m）;、s是埋深的影响参数。

5 结束语

本文基于三维有限元模型研究埋深与施工控制条件不同时，隧道施工地层变形影响规律，发现当埋深是19.1 m时，地表及地层沉降均能抵达峰值，超出以上这一埋深值后，地表、地层及拱顶沉降量均有降低趋势，故而将19.1 m设定为深浅埋隧道两者的分界线。埋设与施工控制水平均共同影响着隧道施工过程，伴随拱顶沉降量增加施工影响范畴扩增，但当拱顶沉降增加到某一值后，地层构造出现剪切破损，可以使用幂指数函数表示地表沉降斜率和最大沉降量之间的关系。

参考文献：

[1]高坤，柯宅邦，童智能，等.结构性软土地层中后掘进隧道引起地表沉降计算模型分析[J].安徽建筑，2020，27（10）：74-76.

[2]高守栋，刘超，张子新，等.地面出入式盾构隧道施工对周边地层扰动研究[J].地下空间与工程学报，2020，16（3）：903-914.

[3]许桂生.大跨浅埋暗挖隧道近接桥桩施工扰动影响及控制技术研究[J].中外公路，2019，39（1）：185-189.

[4]尹荣申，杨伟超，张平平，等.多孔大断面矩形顶管施工的地层变形特征及演化规律[J].铁道科学与工程学报，2018，15（10）：2597-2605.