李飄 LI Piao；廖云平 LIAO Yun-ping

（重慶交通大學(xué)巖體研究所，重慶400074）

0 引言

地下工程建設(shè)引起的應(yīng)力場及變形場變化是地下工程地質(zhì)環(huán)境問題產(chǎn)生的重要原因之一，為盡量減少隧道工程開挖對地表產(chǎn)生的不良影響，必須對地表沉降和變形進行深入研究和有效預(yù)計，從而合理控制隧道開挖引起的地表沉降和變形[1-2]。

國內(nèi)外眾多學(xué)者通過大量工程實踐的研究，總結(jié)經(jīng)驗并提出了多種計算隧道開挖引起地表沉降的方法，如經(jīng)驗公式法、理論解析法、物理模型法、數(shù)值模擬法等[3-5]。本文針對重慶豐盛一礦隧道開挖工程，運用大型通用有限元軟件MIDAS／GTS，建立隧道斷面開挖施工模型，進行施工過程模擬；計算隧道開挖引起的拱頂和地表沉降，通過分析、研究，總結(jié)出不同的結(jié)構(gòu)、巖性和埋深狀況下隧道開挖對地層和地表的沉降影響，并以此判斷最佳開挖位置。

1 工程概況

豐盛一礦礦道位于重慶市長陽縣的豐盛鎮(zhèn)和雙河口鎮(zhèn)之間，貫穿豐盛場勘查區(qū)全部的豐盛場背斜。豐盛場背斜軸向為近于南北向延伸的不對稱背斜，軸面東傾，傾角70～75°。其東翼較緩，傾角 22～50°（軸部較平緩），西翼較陡，傾角50～70°（局部倒轉(zhuǎn)）。主、副斜井石門穿一條走向逆斷層，為一高角度的走向逆斷層，走向近南北，斷層面東傾，傾角為70～75°。本區(qū)地層以發(fā)育沉積巖為其特征，未發(fā)現(xiàn)巖漿巖蹤跡。

本文結(jié)合豐盛一礦隧道圍巖的工程地質(zhì)特點，應(yīng)用Midas/GTS軟件模擬研究了隧道的開挖對周圍環(huán)境的影響及其影響因素。

2 模型的建立及參數(shù)的確定

本文在進行隧道開挖模擬時采用大型通用有限元軟件MIDAS/GTS建模并計算。

2.1 基本模型的建立 ①模型尺寸：模型尺寸為6000m×5500m×820m；②地層劃分：按圖1所示地層情況進行劃分（方向為左西右東）；③洞口斷面形態(tài)：見圖2；④約束條件：模型底部邊界約束Z方向（固定約束），兩側(cè)邊界約束X方向（水平約束），前后邊界約束Y方向（水平約束）；⑤荷載條件：自重應(yīng)力荷載；⑥通過單元的激活和刪除來模擬隧道的開挖；⑦采用全斷面開挖法。

圖1 地質(zhì)剖面圖（帶模擬隧道位置）

2.2 計算模型的建立 以隧道埋深每增加50m，建立一個計算模型，一共10個模型，即埋深從50m到500m。隧道斷面，洞口半徑 R1=6.5m，R2=6m，傾角 A1=60°，A2=55°。開挖方向為由西向東，即西段為入口段，東段為出口段。

2.3 本構(gòu)方程的確立 模擬涉及的巖土體采用德魯克-普拉格模型，即d-p模型。運用d-p準則來判斷巖土體是否發(fā)生破壞。Drucker-Prager(DP)準則應(yīng)用于顆粒狀材料，如土壤、巖石和混凝土。

2.4 巖土物理力學(xué)參數(shù) 模型模擬采用的巖土材料參數(shù)如表1。

表1 巖體參數(shù)表

3 計算及結(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果判斷 由隧道開挖后周圍區(qū)域最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分布，可以判斷此時洞壁最易發(fā)生破壞的區(qū)域，以及是否出現(xiàn)應(yīng)力集中。由隧道的橫向和豎向位移，可以判斷隧道是否坍塌以及其范圍。

3.2 變形影響因素研究

3.2.1 隧道埋深 ①一般地說，隧道埋深越大，上覆巖體對隧道的圍壓就越大。張素敏[6]等通過分析發(fā)現(xiàn)，各級圍巖隨著埋深的增大，圍巖變形值明顯增大：拱部圍巖特征曲線的形態(tài)也由直線型向發(fā)散的曲線型發(fā)展。從圖中可以看出，隨著埋深增加，其拱頂沉降量整體也是增加的，這和張素敏等的研究結(jié)果基本一致。②隨著埋深的增加，對周圍巖體擾動及地表沉降的影響趨勢基本一致。圖2為不同埋深下隧道開挖時地表沉降的變化曲線圖。從圖2中可知，隧道的進出口兩端的開挖會造成地面土體較大的沉降變形，其具體數(shù)值隨埋深的變化而變化。此兩段由于隧道穿過地層較多，巖性較復(fù)雜，而且多為巖性不同的兩地層交界處，在巖性相差較大的兩個相鄰地層間進行的開挖，導(dǎo)致地表沉降量較大，容易出現(xiàn)塌陷等災(zāi)害。

圖2 不同埋深下隧道開挖地表沉降的變化

圖3表示不同埋深下隧道開挖時拱頂豎向變形的變化曲線圖。從圖中可知，隧道開挖對頂部巖體的位移影響也存在一個總體規(guī)律，即在隧道的進出口兩端的開挖會造成較大的沉降變形。

不同埋深的隧道對地下和地表環(huán)境的位移影響有較大差異。隨著埋深的逐步增加，沉降量出現(xiàn)規(guī)律性變化。如圖2所示，其值隨著埋深的增加而逐漸增大。

同樣，如圖3所示，各埋深的拱頂豎向位移變化規(guī)律基本一致，其值隨埋深的增加而增大。從圖3中可知，東段的數(shù)值相對較大，變化較劇烈。從以上分析可以得出結(jié)論：隨著埋深的增加，隧道開挖對地表沉降量先減小，之后增大。而隧道拱頂豎向位移則逐漸增大。綜合比較，隧道埋深在150m至200m之間，無支護條件下時，開挖對地表和地下環(huán)境的擾動較小，發(fā)生災(zāi)害的可能較小。

圖3 不同埋深下隧道開挖拱頂沉降的變化

3.2.2 地層的影響 如圖2和圖3所示，在地層交界處開挖隧道，其受到的影響最大，容易出現(xiàn)較大變形，或破壞。反觀之，在模型中段雖然也有好幾處地層交界處，但是由于這些地層的巖性都為灰?guī)r或泥灰?guī)r，強度差異不大，所以沒有出現(xiàn)大的位移變化。

通過觀察比較中可以發(fā)現(xiàn)，隨著埋深的變化，拱頂和地表沉降變化都是從兩端向中段逐漸趨于平緩，但是其開始變緩的具體位置各有不同。

結(jié)論：隧道開挖主要在巖性較差、強度較弱的巖層如泥巖和泥灰?guī)r區(qū)域，對周圍巖體和地面的擾動影響較大，而在挖掘進入強度相對較大的巖體內(nèi)時，由于圍巖穩(wěn)定性較好，開挖對周圍巖體影響很小。

4 結(jié)論

①在不同巖性的地層交界處進行隧道的開挖，容易引起周圍巖體的擾動，進而出現(xiàn)大的變形或破壞；但如果交界的兩個地層巖性相同或相近，則變形較小或不會出現(xiàn)類似的問題。

②隧道埋深對圍巖破壞程度有重要影響，隨著埋深的增大，圍巖破壞程度漸進擴大趨勢，同時地表沉降量先減小后增大。

③通過使用有限元軟件MIDAS/GTS分析不同埋深隧道的開挖，基本符合圍巖和地表變化的規(guī)律，證明可以用此軟件對整體模型進行更進一步的分析。

[1]中華人民共和國交通部.JTGD70-2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2]中華人民共和國交通部.JTJ042-2004，公路隧道施工規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3]RB Peck.Deep excavations and tunneling in soft ground.State of Art Report Proc.7th Int.Conf.SMFE.Mexico：Mexico University Press，1969：225-290.

[4]陳利杰,張曉平等.城市淺埋軟巖隧道施工沉降分析及對策[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2010，18(2)：281-288.

[5]劉寶琛,張家生.近地表開挖引起的地表沉降的隨機介質(zhì)方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1995，14(4)：289-296.

[6]張素敏,宋玉香,朱永全.隧道圍巖特性曲線數(shù)值模擬與分析[J].巖土力學(xué),2004,25(3)：455-458.