不同深跨比下淺埋偏壓隧道地表變形規(guī)律研究

李 亮

(中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司，北京 100124)

不同深跨比下淺埋偏壓隧道地表變形規(guī)律研究

李 亮

(中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司，北京 100124)

以福建省漳州至永安高速公路大隔尖隧道為工程背景，采用數(shù)值分析方法，研究了不同深跨比下淺埋偏壓隧道地表變形規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，淺埋偏壓隧道開挖對(duì)地表的影響范圍大小與隧道埋深成反比，隧道埋深越大，隧道開挖對(duì)地表影響越小。當(dāng)單線和雙線隧道深跨比分別為3.1和2.7時(shí)，隧道正上方地表已經(jīng)幾乎不受隧道開挖的影響。因此在工程施工中，對(duì)于淺埋偏壓隧道而言，埋深越淺，越應(yīng)重視施工對(duì)地表變形的影響，可以通過在地表一定范圍內(nèi)注漿來減小隧道開挖對(duì)地表的影響程度。

淺埋偏壓隧道；深跨比；地表變形；數(shù)值分析

1 研究目的

隨著我國基礎(chǔ)事業(yè)的不斷發(fā)展，路網(wǎng)的不斷完善，隧道建設(shè)事業(yè)向復(fù)雜地形的山區(qū)發(fā)展，淺埋偏壓隧道的數(shù)量日益增多[1-3]。我國是一個(gè)地形復(fù)雜的國家，山地面積占國土面積約三分之二，特別是中西部地區(qū)，地形復(fù)雜多變，山嶺眾多，在山區(qū)修建隧道，無論是鐵路隧道還是公路隧道，很多隧道洞口選線時(shí)受自然地理環(huán)境及其它因素的影響，隧道洞口段往往是淺埋偏壓的地形條件。隧道洞口段作為隧道咽喉，大多數(shù)情況存在淺埋偏壓的現(xiàn)象，洞口段圍巖風(fēng)化程度較高，如果沒有合理的施工和支護(hù)方案，容易引起洞口段的坍塌或冒頂事故[4-7]。

山東省青島市地鐵1期工程三號(hào)線重慶中路和京口路交匯處，福建省廈漳公路廈門段的雷公山隧道，陜西省新建太中銀鐵路吳家堡隧道的3#斜井，陜西省西安市地鐵三號(hào)線胡家廟至東二環(huán)通化門區(qū)間，山西省石太客專南莊隧道的出口段，甘肅省蘭新鐵路小平羌口隧道，北京市地鐵十號(hào)線蘇州街車站，四川綿陽機(jī)場(chǎng)直通隧道洞口和貴州市織納高速徐家寨隧道等隧道工程在施工過程中均發(fā)生了掌子面或淺埋段坍塌事故，造成了不良的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失[8-10]。

大量隧道工程實(shí)踐表明，諸多不確定因素影響著隧道工程施工安全，尤其是淺埋偏壓隧道施工過程中頻頻發(fā)生的坍塌和冒頂事故已成為我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)事業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的障礙，制約著我國經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[11-12]。本文以福建省漳州至永安高速公路龍巖段A10合同段控制性工程——大隔尖隧道為工程背景，研究了不同深跨比下淺埋隧道地表變形規(guī)律。

2 不同深跨比下地表變形規(guī)律

2.1 工程背景

大隔尖隧道設(shè)計(jì)采用左右線分離形式，左洞全長(zhǎng)1 012 m，右洞全長(zhǎng)1 002 m，計(jì)算行車速度80 km/h。隧道進(jìn)口位于直線段，出口位于平曲線上，左右線曲線半徑為R=1 020m、R=1 012m。大隔尖隧道左洞Ⅴ級(jí)圍巖682m，Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)度為90m，Ⅲ級(jí)圍巖長(zhǎng)度240m。大隔尖隧道右洞Ⅴ級(jí)圍巖762m，Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)度為45m，Ⅲ級(jí)圍巖長(zhǎng)度195m。

2.2 計(jì)算模型和參數(shù)

為了分析淺埋偏壓隧道開挖對(duì)地表變形影響，建立二維隧道分析模型，根據(jù)隧道埋深和跨度之比(簡(jiǎn)稱深跨比)，比較分析不同深跨比下的淺埋隧道地表變形。

選取淺埋偏壓的洞口段建立數(shù)值計(jì)算模型，所選區(qū)段圍巖級(jí)別為V級(jí)。本模型隧道圍巖范圍選取大約隧道上方3倍的洞徑，左右圍巖厚度均為40 m，下方圍巖厚度為30 m。計(jì)算模型隧道取50 m，圍巖左右前后和下部分別施加徑向約束，上部為自由邊界，計(jì)算模型如圖1所示。計(jì)算時(shí)本構(gòu)模型有D—P和彈性本構(gòu)模型，巖土材料的非線性按D—P材料處理，其中將圍巖材料定義為D—P材料，將初期支護(hù)定義為彈性材料。V級(jí)圍巖和初支物理力學(xué)綜合計(jì)算參數(shù)如表1所示。

圖1 計(jì)算模型

表1 V級(jí)圍巖和初支物理力學(xué)參數(shù)

2.3 淺埋偏壓隧道地表變形規(guī)律

分別建立雙線隧道和單線隧道模型，雙線隧道跨度為10 m，單線隧道跨度為7 m，兩洞之間的凈距取為10 m，建立二維隧道模型，用plane42單元模擬土體，用beam3單元模擬初期支護(hù)。采用臺(tái)階開挖法，考慮應(yīng)力釋放，上臺(tái)階開挖應(yīng)力釋放率為30 %，下臺(tái)階開挖應(yīng)力釋放率為50%，仰拱部分土體開挖應(yīng)力釋放率為70%。單線和雙線隧道深跨比分別如表2和表3所示。單線和雙線隧道各種深跨比引起地表豎向位移變化見圖2、圖3。

表2 單線隧道深跨比

表3 雙線隧道深跨比

根據(jù)圖2可以分析出，單線隧道深跨比小于等于3.1時(shí)，隧道的開挖已經(jīng)影響到了地表變形，深跨比越小，右側(cè)隧道正上方的地表受影響范圍越大；隨著深跨比的增大，地表影響范圍逐漸越小，深跨比大于3.1時(shí)，地表變形幾乎不受開挖的影響。按照深跨比的定義，深跨比3.1是單線隧道深淺埋的分界線，即為深淺埋隧道分界深度。

圖2 單線隧道深跨比2.29～3.43豎向位移

圖3 雙線隧道深跨比2.1～2.9豎向位移

根據(jù)圖3可以分析出，深跨比小于等于2.7時(shí)，隧道的開挖已經(jīng)影響到了地表變形，深跨比越小，右側(cè)隧道正上方的地表受影響范圍越大；隨著深跨比的增大，地表影響范圍越小，深跨比大于2.7時(shí)，地表變形幾乎不受開挖的影響。即按照深跨比定義，深跨比2.7是雙線隧道深淺埋的分界線，即為深淺埋隧道分界深度。

圖4反映了單線淺埋偏壓隧道開挖對(duì)地表影響程度。當(dāng)深跨比為2.29時(shí)，隧道正上方20 m范圍內(nèi)地表受隧道開挖影響較大，最大地表沉降值為7.2 mm；當(dāng)深跨比為2.57時(shí)，隧道正上方15 m范圍內(nèi)地表受隧道開挖影響較大，最大地表沉降值為8.4 mm；當(dāng)深跨比為3.1時(shí)，最大地表沉降值為1.4 mm，隧道正上方地表幾乎不受隧道開挖的影響。

圖4 單線地表影響范圍

圖5反映了雙線淺埋偏壓隧道開挖對(duì)地表影響程度。當(dāng)深跨比為2.1時(shí)，隧道正上方15 m范圍內(nèi)地表受隧道開挖影響較大，最大地表沉降值為2.7 mm；當(dāng)深跨比為2.3時(shí)，隧道正上方12 m范圍內(nèi)地表受隧道開挖影響較大，最大地表沉降值為2.5 mm；當(dāng)深跨比為2.7時(shí)，隧道正上方地表幾乎不受隧道開挖的影響，最大地表沉降值為1.1 mm。隧道埋深越淺，隧道開挖對(duì)地表的影響范圍越大，隨著埋深的加大，淺埋偏壓隧道對(duì)地表影響可以不予考慮。在工程施工中，對(duì)于淺埋偏壓隧道，埋深越淺，施工中對(duì)于地表變形及影響范圍應(yīng)給予足夠的重視，在地表一定范圍內(nèi)，通過地表注漿減小隧道開挖對(duì)地表的影響程度。

3 結(jié)論

淺埋偏壓隧道開挖對(duì)地表的影響范圍大小與隧道埋深成反比，隧道埋深越大，隧道開挖對(duì)地表影響越小。

圖5 雙線地表影響范圍

當(dāng)單線和雙線隧道深跨比分別為3.1和2.7時(shí)，隧道正上方地表已經(jīng)幾乎不受隧道開挖的影響。

當(dāng)深跨比相同時(shí)，靠近深埋側(cè)隧道的地表沉降大于淺埋側(cè)。

在工程施工中，對(duì)于淺埋偏壓隧道而言，埋深越淺，越應(yīng)重視施工對(duì)地表變形的影響，可以通過在地表一定范圍內(nèi)注漿來減小隧道開挖對(duì)地表的影響程度。

[1]于學(xué)馥，鄭穎人，劉懷恒，等.地下工程圍巖穩(wěn)定分析[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1983

[2]樗木武.隧道力學(xué)[M].關(guān)寶樹，麥倜曾譯.北京：中國鐵道出版社，1983

[3]龔曉南.21世紀(jì)巖土工程發(fā)展展望[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22(2):238-242

[4]王夢(mèng)恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2010

[5]黃宏偉.隧道及地下工程建設(shè)中的風(fēng)險(xiǎn)管理研究進(jìn)展[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2(1):13-20

[6]關(guān)寶樹，趙 勇.軟弱圍巖隧道施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2011

[7]錢七虎，戎曉力.中國地下工程安全風(fēng)險(xiǎn)管理的現(xiàn)狀，問題及相關(guān)建議[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(4):649-655

[8]孫 鈞.隧道和地鐵工程建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)整治與管理及其在中國的若干進(jìn)展[C]//上海市土木工程學(xué)會(huì).地下工程施工與風(fēng)險(xiǎn)防范技術(shù)——第三屆上海國際隧道工程探討會(huì)文集.上海：[出版者不詳]，2007：3-7

[9]彭立敏，劉小兵.交通隧道工程[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2003

[10]馮衛(wèi)星，況 勇，陳建軍.隧道坍塌方案分析[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2002

[11]龔勤火.淺埋偏壓隧道的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析研究[J]. 四川建筑, 2006(2): 74-78

[12]聶玉文,趙金銳.偏壓和淺埋地段隧道洞口的設(shè)計(jì)體會(huì)[J].廣東公路交通,2002(2):51-52

A Study of the Law of the Ground Deformation over a Shallow Tunnel of Different Depth-Span Ratios Under Unsymmetrical Loads

LI Liang

(The Subway Engineering Co. Ltd. of the 16th Bureau Group of China Railway,Beijing 100124,China)

With the Dagejian Tunnel of the Zhangzhou-Yong'an Expressway in Fujian Province as the engineering background, the numerical analysis method is applied to studying the law of the ground deformation over a shallow tunnel of different depth-span ratios under unsymmetrical loads in the paper.Our study shows that the size of the influential range of the effect of the excavation of the bias-pressured tunnel on the ground deformation is inversely proportional to the buried depth of the tunnel. The greater the buried depth of the tunnel is, the smaller the effect of the excavation of the tuunel on the ground deformation will be.When the depth-span ratios of a single-line tunnel and a dual-line tunnel are respectively 3.1 and 2.7,the ground right over the tunnel will nearly not be affected by the excavation of the tunnel.Therefore,as far as a shallow tunnel is concerned, in the course of construction, the shallower the buried depth of the tunnel is,the greater attention should be paid to the effect of the construction on the ground deformation. And the effect of the excavation of the tunnel on the ground deformation may be reduced by means of slip-casting concrete within a certain range of the ground.

shallow tunnel under unsymmetrical loads；depth-span ratio；ground deformation；numerical analysis

2016-07-13

李 亮(1984—)，男，工程師，主要從事隧道及地下工程方向研究工作。liliangzt16@sina.com

10.13219/j.gjgyat.2016.06.015

U456.3

A

1672-3953(2016)06-0058-04