不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對周邊土體及環(huán)境的影響

引言

隧道在不同土質(zhì)下的掘進(jìn)過程中，如果沒有對其周邊土體及環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)研究，會導(dǎo)致掘進(jìn)安全性低。隧道掘進(jìn)會影響周圍土體的應(yīng)力變化，導(dǎo)致周邊土體位移發(fā)展速度突增，土體變形的收斂速度加快。

本文以廈門某區(qū)間隧道工程為例，該隧道線路整體呈東西走向，起點位于直線上，中間段位于R=3000m的左拐曲線上，終點位于R=800m的右拐曲線上，線間距15.53m ～19m，左線采用6.603‰上坡，右線采用6.620‰上坡，區(qū)間設(shè)1#豎井作為盾構(gòu)始發(fā)井。區(qū)間礦山法隧道下穿動走一線，與動走一線的交角為5°，區(qū)間隧道右線結(jié)構(gòu)頂距動走一線結(jié)構(gòu)底的距離為30.001m，左線結(jié)構(gòu)頂距動走一線結(jié)構(gòu)底的距離為30.021m。區(qū)間礦山法隧道下穿動走二線，與動走二線的交角為28°，區(qū)間隧道右線結(jié)構(gòu)頂距動走二線結(jié)構(gòu)底的距離為37.793m，左線結(jié)構(gòu)頂距動走二線結(jié)構(gòu)底的距離為37.821m。區(qū)間盾構(gòu)隧道與福廈鐵路的交角約為36°，區(qū)間隧道右線結(jié)構(gòu)頂距福廈鐵路結(jié)構(gòu)底的距離為23.481m，左線結(jié)構(gòu)頂距福廈鐵路結(jié)構(gòu)底的距離為23.519m。綜合考慮地形地貌、地質(zhì)及周邊構(gòu)筑物情況，于正線右SDK1+970處設(shè)置斜井，斜井起訖里程為K0-24 ～K0+358,縱坡13%，中部設(shè)置20m長緩沖平臺,斜井僅作為施工臨時通道，待隧道施工完成后兩端采用鋼筋混凝土墻封堵永久封閉。

礦山法隧道從斜井與區(qū)間正線交接處(即正線右SDK1+970)開始開挖，準(zhǔn)備設(shè)置4個工作面[1]。目前斜井已開挖完成，二襯及仰拱在持續(xù)施工中；1#豎井與涉鐵段起點之間的直線距離大約257m，從1#豎井至涉鐵段起點，隧道左線開挖約160m，右線開挖約120m，開挖在持續(xù)推進(jìn)中?；诖斯こ瘫尘跋?，為保證不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)的安全，本文針對不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)，對周邊土體及環(huán)境的影響進(jìn)行分析。

1.不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對周邊土體的影響

1.1 改變周圍土體的應(yīng)力

由于隧道掘進(jìn)時土體應(yīng)力會隨著隧道中心線的深度不同而產(chǎn)生變化，在粉黏土土質(zhì)下，考慮到粉黏土的滲透系數(shù)較低，因此會產(chǎn)生大量的超孔隙水壓力[2]。在粉砂土土質(zhì)下，滲透系數(shù)很高，因此超孔隙水壓力極其微弱，可以不進(jìn)行計算。通過計算隧道掘進(jìn)對周邊土體的總應(yīng)力，分析周圍土體的應(yīng)力歷史變化，將隧道掘進(jìn)的全過程分為四個階段：第一階段是刀盤到達(dá)前，粉黏土土質(zhì)下的超孔隙水壓力會急劇增大，覆土壓力也會隨之增加；粉砂土土質(zhì)下的超孔隙水壓力基本不變，應(yīng)力保持穩(wěn)定狀態(tài)。第二階段是盾構(gòu)機(jī)通過時，由于盾構(gòu)機(jī)與地面摩擦?xí)?dǎo)致盾殼摩擦力增大，使得粉黏土土質(zhì)的土體被挖除所產(chǎn)生的應(yīng)力釋放，豎向應(yīng)力形成一個土拱；而粉砂土土質(zhì)的土體豎向應(yīng)力迅速沉降。盾構(gòu)機(jī)通過時周邊土體的應(yīng)力可通過應(yīng)力變化比的計算公式表示，設(shè)應(yīng)力變化比為，則其計算公式如公式（1）所示。

1.2 周圍土體的體積壓縮

隧道掘進(jìn)對周邊土體的應(yīng)變路徑影響取決于土體體積壓縮的狀態(tài)，在刀盤通過時，無論是粉黏土土質(zhì)還是粉砂土土質(zhì)均處于體積膨脹的狀態(tài)，此時剪應(yīng)力增大[4]。在盾構(gòu)機(jī)通過時粉黏土土質(zhì)和粉砂土土質(zhì)處于體積壓縮的狀態(tài)，剪應(yīng)力也隨著體積的縮小而減少。盾尾脫出至二次注漿時，兩種土質(zhì)下的剪應(yīng)力基本穩(wěn)定。二次注漿之后，會出現(xiàn)橫向沉降槽，隧道掘進(jìn)后周圍土體的應(yīng)變路徑與反彎點位置基本一致。

1.3 周圍土體的塑性發(fā)展

通過對比不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)時周邊土體的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)可以看出，周圍土體呈現(xiàn)出塑性發(fā)展趨勢[5]。地表土體的平均主應(yīng)力會明顯提高，而隧道周圍的土體平均主應(yīng)力會明顯下降，在隧道上方的土體平均主應(yīng)力基本保持不變。這是由于當(dāng)?shù)侗P通過考察斷面時，盾尾空隙對周圍土體的卸荷影響。但隧道掘進(jìn)對周邊土體的塑性發(fā)展影響持續(xù)時間較短，在施工完成后無需人為操作即可自動完成修復(fù)。綜上所述，在分析不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對周邊環(huán)境的影響后得知，大部分隧道掘進(jìn)對周邊環(huán)境產(chǎn)生的消極影響均可以通過土體的修復(fù)功能自動修復(fù)，對于極特殊情況可以采取相應(yīng)的措施進(jìn)行人工干預(yù)。

2.不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對周邊環(huán)境的影響

在分析不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對周邊環(huán)境的影響中，必須預(yù)先明確廈門某隧道工程涉鐵段周邊環(huán)境平面圖（圖1）。

結(jié)合圖1所示，本文針對不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對周邊環(huán)境的影響主要從以下3個部分進(jìn)行重點分析。

圖1 隧道工程涉鐵段周邊環(huán)境平面圖

2.1 拱頂沉降

針對不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對拱頂沉降調(diào)查分析可知，不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對拱頂沉降存在差異較大的現(xiàn)象[6]。因此，本文將不同土質(zhì)下的拱頂沉降信息進(jìn)行匯總分析，得出分析結(jié)果如表1所示。

2.2 地表豎向位移

由于隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的盾殼摩擦力會對地表起到附加推力的作用，可以通過計算地表豎向位移，得出隧道掘進(jìn)對地表豎向位移的具體影響，設(shè)不同土質(zhì)下某一點的坐標(biāo)為該點在盾殼摩擦力下產(chǎn)生的地表豎向位移的計算公式，如公式（2）所示。

表1 不同土質(zhì)下的拱頂沉降信息匯總分析

2.3 隧道內(nèi)凈空收斂

為了研究不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對隧道內(nèi)凈空收斂的影響，本文采用隧道凈空收斂量測的方法在斷面內(nèi)布設(shè)測點，分別在不同土質(zhì)下構(gòu)成3條基線測量基線方向上相對位移，設(shè)基線方向上相對位移為，其計算公式，如公式（3）所示。

3.結(jié)語

本文針對不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對周邊土體及環(huán)境的影響研究發(fā)現(xiàn)：隧道掘進(jìn)對周邊土體的塑性發(fā)展影響持續(xù)時間較短，在施工完成后無需人為操作即可自動完成修復(fù)；隨著盾構(gòu)階段的遞增，隧道內(nèi)凈空收斂的影響會完全消除。因此，不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對周邊土體及環(huán)境存在負(fù)面影響，但影響不大。通過以上研究，能夠為不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)的進(jìn)一步研究提供一定的借鑒和參考。由于表征影響的能力參差不齊，對其差異性未作出詳細(xì)解釋。在日后的研究中，可以加大對該方面的研究力度。