复杂地质隧道施工的沉降变形分析

蓝 华,高 永,李寒雄

(1.广西壮族自治区城乡规划设计院，广西 南宁 530020;2.重庆大学 土木工程学院，重庆 400044;3.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

随着国家基础建设的扩大，高等级公路隧道在黄土地区的修筑工程越来越多。相较于传统的岩质隧道，黄土因其特殊的成分和工程地质条件，导致黄土隧道存在围岩强度低、自承载力弱、开挖变形大的问题[1-2]。为明确黄土隧道受力变形特征，提升隧道承载能力，有效控制沉降，相关学者进行了多方研究[3-5]。目前黄土隧道受力状态和变形特征的分析方法主要包括经验公式法[6]、数值分析法[7-8]、现场实测法[9]等。如基于大量工程资料计算给出的不同围岩级别差异经验公式，包括平衡拱理论的围岩计算方式、围岩浅埋隧道计算公式等[10-12]；基于隧道结构特征的数值仿真模拟，如针对大断面黄土隧道地基沉降的数值计算分析，地基加固处理，针对软岩小净距隧道施工开挖进行土层应力状态分析等[13]；根据模型试验和施工现场测量数据进行黄土稳定性的计算分析，如针对不同大断面湿陷性黄土隧道的沉降、变形测量，得到隧道施工中的变形控制措施，给出合适的隧道施工方法等[14-15]。

本文在相关研究基础上，以黄土隧道工程为研究对象，针对隧道施工过程中弧形导坑法施工工艺进行数值模拟，得到黄土隧道围岩开挖后的变形特征，并根据隧道沉降变形规律给出隧道施工的有效建议。

1 黄土隧道模型构建

1.1 工程背景

隧道位于青海省西宁市城北，是丹拉国道主干线过境西宁的主要高速路段之一。整个隧道采用左右线分离4车道设计，左线ZK2+600～ZK5+205段长2 454 m，右线YK2+660～YK5+190段长2 530 m。隧道限宽10.75 m，限高5.0 m，属于V级围岩，采用复合式衬砌。

根据隧道建设选址设计，隧道位于青藏高原向黄土高原的过度地带。钻探揭示，隧址区地层为第四系全新统黄土、上更新统风积黄土以及人工填土。人工填土分布在左线K2+960～K3+180段，右线K3+080～K3+240段，填方最大揭示高度达35 m。新近堆积黄土主要分布在隧道进口和右侧K4+170～K4+210段，该层厚度在4～7 m，顶板标高2 329.79～2 386.94 m。湿陷性黄土分布在ZK3(K4+200)、ZK4(K5+190)段，湿陷等级为Ⅵ级自重性湿陷黄土，天然密度60%～70%，含少量云母碎片、透明淋滤型石膏，设计围岩级别为V级。

1.2 浅埋黄土隧道施工

大断面黄土隧道施工方法主要有弧形导坑法、双侧壁导坑法、中隔壁法、预留核心土多台阶法等[16-18]。不同方法具有各自的施工特征，如双侧壁导坑法能对地表沉降更好的控制，但施工工序复杂，临时支护多，难以采用大型机械设备[19]；CRD法对拱顶下沉控制有着很强的效果，施工工序较简单，成本较低，但施工难度大[20]；弧形导坑法使用范围广、工序简单，成本低，且结构具有很强安全性，但开挖施工中易对土体造成扰动，形成较大沉降，因而通常应用于较大地表沉降地段[21]。

本项目根据施工进程安排、施工成本，采用弧形导坑法施工。即按高度由上至下将开挖断面分为3个台阶。通过预留核心土和辅助支护以保持施工的稳定性，为具体的施工流程见图1。

图1 隧道弧形导坑施工流程

2 弧形导坑施工过程模拟

2.1 模型建立

选择隧道最大开挖跨径处K3092作为研究对象。K3092隧道埋深10 m，最大开挖跨径和开挖高度分别为16.69 m和12.16 m。设定模型向下取3倍隧道高度35 m，左右取4倍跨径68 m，隧道轴线方向取60 m。由上至地表，认为不受范围外土体和纵向边界影响。

为提高结构准确性，采用ANSYS软件中4节点结构单元进行隧道支护和周边围岩网格划分，设定纵向单元长度为1 m，对平面进行纵向拉伸得到三维模型。将组合得到的三维模型导入到FLAC 3D中，如图2所示。整个模型划分为65 220个单元，共68 869个节点。

图2 隧道施工三维模型

设定模型左右两侧为X向、底面为Y向、前后为Z向，并施加约束，顶面为自由面。仅在考虑重力作用下，对隧道开挖施工进行模拟，获得重力作用下初始地应力场，如图3所示。可以看出，重力场作用下，隧道底层最大沉降值达到21.7 cm，可见黄土地欠密实性。在此基础上，对施工过程模拟，获得不包括重力作用场下施工造成的沉降位移和稳定初始应力场，对位移进行“清零”处理。

图3 初始地应力场

2.2 施工过程的模拟

施工开挖过程中，假定掌子面始终超前支护3 m，开挖后立即喷射混凝土、钢架结构和锁脚锚管并注浆，施加初期支护，弧形导坑法开挖界面见图4。

图4 弧形导坑法开挖面示意图

开挖过程中，预留6 m核心土纵向长度，先行开挖上部弧形导坑，滞后掌子面6 m开挖中部右侧台阶，滞后中部台阶3 m开挖下部右侧台阶，左右侧台阶、中部核心土、下部核心土交错1 m。滞后下台阶12 m进行仰拱开挖。模拟过程中，设定施工步长3 m，共分34次完成51 m的开挖，开挖支护各17次，如图5为施工纵截面图。

图5 施工过程纵截面图

3 隧道施工稳定分析

3.1 围岩竖向位移

隧道开挖中，围岩初始应力示范，应力状态改变，出现卸荷位移。如图6为随隧道开挖进场监测面围岩竖向位移云图。隧道上部围岩形成一个U形整体沉降区，由隧道表面延伸到拱脚处，边界接近垂直，拱顶和拱脚沉降基本一致。当掌子面到达监测面前，在隧道中线上方地表处出现隧道围岩竖向最大位移。随着埋深增加，沉降逐渐较小，在地表处出现最大沉降。当隧道开挖掌子面到达监测面时，隧道上方产生卸荷，拱顶沉降增大，并向地表发展，随着埋深增加，沉降逐渐增加。对距掌子面33 m处获得位移云图分析发现，在垂直方向以左右边墙形成最大竖向沉降，在距隧道中线20 m范围内，沉降值随隧道中线距离增加而下降。由地表至隧道拱脚处垂直向，沉降量较为接近，在8 m深度范围，仰拱位置形成最大沉降和最大鼓起较为接近。

(a) 距离掌子面-20 m

表1中给出了拱顶位移沉降变化，可以看出，掌子面前方20 m范围产生的最大沉降仅1.13 m，并未出现明显的沉降变化。随着开挖工作的推进，在20～12 m范围，沉降逐渐增长，当进入12～3 m范围，沉降速度增加，在3 m时的沉降速度达到最大值。当开挖推进到掌子面时，拱顶沉降量达到38.22 mm，占最大沉降的33%，仰拱底部上扬22.87 mm，占整个上扬总量的25%。开挖推进到仰拱后，速率迅速变小，沉降量趋于稳定，拱顶沉降量累计到了73.18 mm，仰拱底部上扬量累积到60.42 m，仰拱回填后形成的沉降趋于稳定。

表1 拱顶和拱底沉变形累积量Table 1 Accum deformation of vault and arch floor距掌子面拱顶沉降/mm仰拱底不上扬/mm-201.130.38-124.012.11-321.6312.99038.2222.87345.6933.081274.4965.0420111.483.2933115.289.19

浅黄黄土隧道开挖中引起的横向方位地表沉降拟合曲线见图7所示，其中横轴表示相对于隧道中轴线距离。可以看出，在距隧道中线约2倍隧道跨径(35 m)沉降趋于稳定，且地表沉降随隧道中心距离减小而增大，当距中心线一倍跨距(19 m)时，沉降变化明显增大，表明隧道开挖对围岩影响主要在掌子面前方一倍跨径范围内。随着间距的进一步减小，直到距隧道中心线8 m，沉降变化趋于稳定，最终在中心线处形成最大地表沉降，最大沉降量为98.2 mm。初支封闭前，沉降变化速度减缓，仰拱开挖后，沉降速度增大，直到初期支护封闭仰拱回填，变化速度趋近于零。

图7 隧道开挖围岩沉降变化曲线

3.2 隧道围岩水平位移

图8给出了隧道开挖过程中围岩监测面的水平位移变化云图。可以看出，在开挖掌子面到达监测面前，隧道围岩最大水平位移量仅4.3 mm，收敛幅度较小。当开挖到监测面时，拱脚和拱腰收敛增大，当掌子面离开监测面15 m后(下台阶通过)，收敛速度趋于稳定，此时拱顶尚未开挖，初支护并未封闭。下台阶通过时的水平位移增长量较小，并在初支封闭后趋于稳定。

(a) 距离掌子面-20 m

图9 中给出了拱脚和拱腰的水平位移变化曲线。拱腰作为弧形导坑拱脚，在初始开挖阶段就形产生了明显的收敛，当开挖至中下台阶时，拱腰收敛迅速增大，中台阶通过时，拱腰收敛速度达到最大。当下台阶通过监测面，拱脚的收敛速度达到最大，随后收敛速度迅速下降。整体可以看出，拱腰收敛值略大于拱脚收敛值，拱脚是初期支护和仰拱土体的支撑，拱腰仅对初期支护起到支撑作用。

图9 监测面围岩水平位移变化曲线

3.3 隧道围岩压力

图10和图11给出了隧道开挖过程中围岩压力变化云图。弧形导坑开挖后，水平应力增幅较小，仅为最大水平应力的12%，竖向应力迅速增加到最大值的74%。随着开挖工作的持续进行，开挖面台阶通过监测面，应力增大，当下台阶经过监测面后，应力逐渐下降，在通过监测面时的水平应力和竖向应力分别达到最大值的71%和84%。整个开挖过程中，最大水平应力出现在拱腰处，最大竖向应力出现在拱顶，且最大水平应力为最大竖向应力的88%，二者较为接近。当初期支护封闭后，应力仍呈现出较小幅度的增长，一直持续到二衬施作后，应力趋于稳定，且存在稍许下降。

(a)距离掌子面-6 m

(a)距离掌子面-6 m

3.4 施工沉降控制策略

通过上述对浅埋大跨径黄土隧道弧形导坑施工的沉降变形和应力变化规律，提出隧道开挖施工过程中控制施工沉降的建议。

a.加强拱脚强度。隧道上方围岩整体沉降明显，由地表向下延伸至隧道上台阶拱脚，其中地表沉降达到拱顶沉降80%以上，拱顶与拱脚沉降比差异较大。由于采用三台阶法无底部临时支持，下台阶拱脚收敛对中部仰拱形成一个挤压趋势，导致仰拱上鼓明显[22]。从隧道位移表现可以看出，加强隧道拱脚处可以减少水平收敛力来抑制拱顶上鼓现象，提升支护结构稳定性，通过在隧道上方围岩提供支撑脚，可减少地表沉降，抑制地表裂缝现象。加强拱脚强度可采用锁脚锚固，并进行注浆处理，施工中要注意锁脚锚管与水平面大于45°，保证加固区贴近初支结构。

b.提高初期支护和超前支护。黄土围岩强度低、自承力差，初期支护对围岩稳定具有决定作用，因而提高初期支护强度有利于保持整体支护能力。掌子面开挖围岩的拱顶沉降已经达到总沉降的33.18%，因此做好超前支护能有效控制拱顶总沉降量。当掌子面通过，在超前支护构成一个加固圈，降低围岩应力释放，能均匀过度到初期支护上。

c.减少封闭距离。在隧道支护封闭前，沉降和收敛持续增加，一直持续到支护封闭后才趋于稳定，且封闭前，拱顶沉降和水平收敛达到了总变量的85%以上，因此，尽快的封闭支护结构，形成环状受力整体，在一定程度上能够对变形具有很好的控制作用。

d.尽快封闭开挖面。从开挖施工变形量可知，围岩裸露阶段的变形始终大于初支支护完成后的变形量，因此，在开挖后及时初喷混凝土层，能有效地平衡结构受力状态。

4 结论

针对大断面黄土隧道施工特征，以工程实例为对象，对弧形导坑法施工工艺进行数值模拟仿真，获得黄土隧道围岩开挖后的位移变形特征和应力变化，并对隧道变形沉降规律给出有效的防治措施。研究结果主要有：

a.弧形导坑法开挖中，掌子面隧道上部围岩形成一个U形的整体沉降区，由隧道表面延伸到拱脚处，边界接近垂直，拱顶和拱脚沉降基本一致。隧道开挖对围岩影响主要集中在掌子面前方20 m，横向距隧道中线35 m范围内。其中在掌子面前方6 m，横向距隧道中线20 m的沉降影响显著。

b. 掌子面到达前，围岩沉降占总沉降的24%～45%。最大沉降发生在掌子面至初支护封闭阶段。拱部围岩沉降随深度增加变化并不明显。初支封闭后，围岩沉降和应力趋于稳定。

c.工程施工中，可通过加强拱脚强度、提高初期支护和超前支护、减少封闭距离，尽快封闭开挖面来有效控制围岩沉降变形。