城市隧道施工中復(fù)雜地層的變形及預(yù)測(cè)

李軍

（衡水市交通運(yùn)輸局運(yùn)輸管理處，河北　衡水　053000）

城市隧道施工中復(fù)雜地層的變形及預(yù)測(cè)

李軍

（衡水市交通運(yùn)輸局運(yùn)輸管理處，河北衡水053000）

地層的變形及預(yù)測(cè)是隧道施工中的關(guān)鍵問(wèn)題。文中針對(duì)復(fù)雜地層中開(kāi)挖隧道所引起的地層變形，闡述了圍巖變形的過(guò)程，討論了各因素對(duì)地層變形的影響；通過(guò)將地層的總變形看作各因素作用下變形的疊加，推導(dǎo)了實(shí)際工程中地層變形的預(yù)測(cè)公式。

隧道；復(fù)雜地層；地層變形；變形預(yù)測(cè)

隧道工程作為地下工程的一種，在其施工和使用階段對(duì)地層變形有嚴(yán)格要求。這是因?yàn)榈叵鹿こ淌芄こ淌┕ず偷叵颅h(huán)境影響較大，存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了保證隧道工程的安全，需加強(qiáng)地層變形預(yù)測(cè)與控制。

要想合理有效地預(yù)測(cè)和控制復(fù)雜地層變形，首先要了解一般地層條件下隧道施工影響地層變形的機(jī)理，進(jìn)而研究在復(fù)雜地層條件下隧道施工對(duì)地層變形的影響。一般認(rèn)為隧道施工對(duì)上覆土有擾動(dòng)影響，進(jìn)而導(dǎo)致土中應(yīng)力釋放，土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，進(jìn)一步擴(kuò)散至地層四周及地表，使地表出現(xiàn)沉降槽，地層產(chǎn)生沉降變形?；谶@種破壞機(jī)理，為了研究方便，通常情況下對(duì)地層作連續(xù)介質(zhì)假設(shè)。這種方法在均質(zhì)地層條件下是合理可行的，但在復(fù)雜地層條件下，土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)地層變形的影響較明顯，連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的計(jì)算結(jié)果誤差會(huì)較大。該文從復(fù)雜地層條件下細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化影響地層變形的機(jī)理入手，研究地層細(xì)觀結(jié)構(gòu)的破壞模式，以期更加準(zhǔn)確地評(píng)估隧道工程施工影響下的地層變形。

1　隧道施工對(duì)地層變形的影響

地層受隧道施工影響的本質(zhì)是細(xì)觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，土中應(yīng)力釋放，宏觀上表現(xiàn)為地表沉降。在整個(gè)隧道施工過(guò)程中，地下環(huán)境在不斷變化，同時(shí)地層結(jié)構(gòu)特性也隨著這種變化而變化，地層的變形、破壞是在一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中發(fā)生的。因此，隧道施工對(duì)地層變形的影響不是單一因素的結(jié)果，而是一個(gè)復(fù)雜多因素的過(guò)程。

地層變形受隧道施工的影響是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，這種影響集中體現(xiàn)為隧道圍巖的變形。隧道施工過(guò)程中，圍巖的變形包括以下三類：第一類是超期變形，這種變形位于掌子面前方；第二類是急劇變形，這種變形處于掌子面還未進(jìn)行支護(hù)處理的后方；第三類是在對(duì)隧道開(kāi)挖施加支護(hù)后的變形，這種變形比前兩種開(kāi)展緩慢，相對(duì)較穩(wěn)定。這三類變形并不是獨(dú)立存在的，而是存在于一個(gè)變形過(guò)程，是隧道圍巖變形的3個(gè)階段（如圖1所示）。3個(gè)階段的變形量主要受地層條件、開(kāi)挖方法、埋深及支護(hù)措施等因素的影響。

圖1　隧道施工對(duì)圍巖變形的影響

隧道施工對(duì)地層變形的影響宏觀上表現(xiàn)為地表沉降槽的產(chǎn)生。找到這種影響的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于實(shí)際問(wèn)題的研究具有極大意義。根據(jù)Peck R.B.的研究，地表沉降槽大致服從正態(tài)分布，由此進(jìn)一步可確定沉降的最大寬度（如圖2所示）。從圖2可見(jiàn)，隨著埋深的增大，沉降槽的深度逐漸增大，然后減小，但變化率先減小后增大。

圖2　地表沉降槽分布

2　復(fù)雜地層條件下地層變形的特點(diǎn)

通常情況下，根據(jù)不同因素在地層變形中所起作用的大小，地層變形可分為地層巖性控制變形、結(jié)構(gòu)控制變形及環(huán)境控制變形。當(dāng)?shù)貙訔l件和地下環(huán)境較復(fù)雜時(shí)，隧道施工對(duì)地層變形的影響更顯著，這給地層變形預(yù)測(cè)與控制造成了很大難度。主要體現(xiàn)在以下兩方面：

（1）地層條件復(fù)雜，圍巖的特性不均勻，而且地層類別不盡相同，有土質(zhì)地層和巖質(zhì)地層，有的致密、有的疏散。在這種條件下，用傳統(tǒng)方法預(yù)測(cè)地層沉降變形較困難，誤差也較大。

（2）工程周圍的環(huán)境多樣化，對(duì)地層變形的要求格外嚴(yán)格。城市地下工程往往要面臨地上密集的高樓大廈、地下縱橫交錯(cuò)的管線，這使城市地下工程的施工環(huán)境變化無(wú)常。對(duì)施工的嚴(yán)格要求使得對(duì)地層變形的控制更加困難。

總之，復(fù)雜地層條件下的城市地下工程有著極高的安全風(fēng)險(xiǎn)。在這種情況下，如果忽略地層細(xì)觀結(jié)構(gòu)方面的影響，粗略地用連續(xù)介質(zhì)假設(shè)對(duì)地層的變形與破壞進(jìn)行分析，將會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。這在本身就高安全風(fēng)險(xiǎn)的城市地下工程中是不允許的。

2.1復(fù)雜地層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

地層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性一般體現(xiàn)在地層的不連續(xù)、層理結(jié)構(gòu)復(fù)雜引起的地層各向異性及地層中其他構(gòu)筑物或水的存在造成的地層不均勻性，復(fù)雜地層其實(shí)是一種各向異性、不連續(xù)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其變形特性受多種因素影響，是地層整體性質(zhì)作用的結(jié)果。地層結(jié)構(gòu)的這種復(fù)雜性，正是預(yù)測(cè)和控制隧道施工影響地層變形需攻克的難題。

2.2連續(xù)介質(zhì)情況下地層變形的特點(diǎn)

隧道施工影響下的地層變形一部分來(lái)自于應(yīng)力釋放造成的沉降，這部分變形較穩(wěn)定，也容易預(yù)測(cè)，可由連續(xù)介質(zhì)條件下的力學(xué)方法進(jìn)行近似估算。這種計(jì)算結(jié)果在均勻穩(wěn)定的地層條件下是可接受的，也得到了大量實(shí)際工程的驗(yàn)證。但值得注意的是，這部分變形不是地層的全部變形，只是由隧道施工造成應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的地層變形。

對(duì)于復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)，大量實(shí)際工程說(shuō)明這種計(jì)算方法得出的結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差，這主要是因?yàn)閺?fù)雜地層結(jié)構(gòu)條件下，連續(xù)介質(zhì)假設(shè)與實(shí)際的不連續(xù)、不均勻地層結(jié)構(gòu)相悖。針對(duì)這種情況，一些學(xué)者提出減小地層參數(shù)的概化計(jì)算方法。而這種方法的計(jì)算結(jié)果很大程度上取決于對(duì)地層結(jié)構(gòu)整體性質(zhì)的評(píng)估。對(duì)于地層條件較簡(jiǎn)單、地層較均勻的工程而言，這種概化計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果是可行的，但對(duì)于地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜的城市地下工程，這種方法同樣不是很可靠。

2.3地層結(jié)構(gòu)性影響機(jī)理

地層結(jié)構(gòu)性對(duì)地層變形有十分顯著的影響，其中地層細(xì)觀缺陷在這種影響中發(fā)揮著非常重要的作用。其影響機(jī)理主要有單個(gè)缺陷結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)、多個(gè)缺陷結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)及缺陷結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)變形3種。

（1）地層細(xì)觀缺陷引起的失穩(wěn)。當(dāng)?shù)貙又挟a(chǎn)生細(xì)觀結(jié)構(gòu)缺陷時(shí)，往往會(huì)引發(fā)地層一定范圍的破壞，且隨著破壞的開(kāi)展及施工擾動(dòng)的影響，地層細(xì)觀結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)逐漸蔓延，進(jìn)一步使地層破壞程度加大。這一過(guò)程會(huì)使地層大面積松散化，地層抵抗變形的能力大幅度下降，進(jìn)而導(dǎo)致地層變形加大。地層細(xì)觀結(jié)構(gòu)缺陷的這一破壞機(jī)理，其影響程度主要取決于地層力學(xué)參數(shù)及缺陷性質(zhì)，其破壞是一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程。

（2）多個(gè)地層細(xì)觀缺陷的失穩(wěn)機(jī)理。對(duì)于實(shí)際工程中的復(fù)雜地層，其細(xì)觀缺陷往往不止一個(gè)，并且這些缺陷的性質(zhì)與分布有較大的離散性。這種情況下的地層失穩(wěn)一般是多個(gè)細(xì)觀缺陷相互誘發(fā)、相互共同作用的結(jié)果。

（3）地層在缺陷結(jié)構(gòu)影響下的協(xié)調(diào)變形。細(xì)觀結(jié)構(gòu)缺陷造成地層變形的本質(zhì)是地層中應(yīng)力釋放。在一定條件下，由于施工的影響，這種應(yīng)力釋放并未表現(xiàn)為地層的失穩(wěn)破壞，而是在地層內(nèi)部發(fā)生協(xié)調(diào)變形。地層中的這種狀態(tài)不僅與地層條件、周圍環(huán)境及工程施工有關(guān)，還與細(xì)觀結(jié)構(gòu)的分布及性質(zhì)有關(guān)，隨機(jī)性很大。在實(shí)際工程中，這種狀態(tài)將增大地下工程的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3　復(fù)雜地層變形的預(yù)測(cè)

隧道施工影響產(chǎn)生的地層變形一般包括材料巖性控制變形、結(jié)構(gòu)控制變形及環(huán)境控制變形三部分。在對(duì)復(fù)雜地層變形進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，首先要對(duì)這3種變形分別進(jìn)行計(jì)算，然后綜合考慮隧道支護(hù)等其他影響因素對(duì)地層變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.1材料巖性控制變形

對(duì)于這種類型變形的計(jì)算，通常是先將地層看作連續(xù)介質(zhì)，即不考慮細(xì)觀結(jié)構(gòu)缺陷的影響，假設(shè)地層是均勻、連續(xù)的。用S1表示這部分沉降量，可用彈塑性方法計(jì)算，求解方法有數(shù)值方法和本構(gòu)關(guān)系兩種。隧道的施工方法、埋深及支護(hù)方式等是影響材料巖性控制變形的因素。由于連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)，這部分變形較穩(wěn)定、均勻。

3.2細(xì)觀結(jié)構(gòu)控制變形

地層細(xì)觀結(jié)構(gòu)缺陷影響下的地層變形與沉降更為復(fù)雜，由于缺陷的隨機(jī)性，變形和沉降表現(xiàn)出非線性，并且受空間關(guān)系影響較大。用S2表示這部分沉降量，可采用數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)的幾何特性、地表荷載及環(huán)境因素也影響著這部分沉降量，增加了計(jì)算的復(fù)雜性與偶然性。因此，這部分沉降量較不穩(wěn)定。

3.3環(huán)境控制變形

在施工降水過(guò)程中，土中的超孔隙水壓力會(huì)逐漸消散，這種原因?qū)е碌某两涤肧3表示。這部分變形可用土力學(xué)中的固結(jié)沉降原理計(jì)算，分瞬時(shí)沉降和固結(jié)沉降兩部分進(jìn)行計(jì)算。

由分層總和法可得最終沉降量為：

式中：n為土層數(shù)；Δpi為第i層土平均附加應(yīng)力的增量，Δpi=hi/2γw；hi為第i層土的厚度；γw為水的重度；Esi為第i層土的體積壓縮模量。

根據(jù)太沙基一維固結(jié)理論，各土層固結(jié)度為：

式中：Uti為各土層的固結(jié)度；TVi為時(shí)間因素，TVi=CVit/（ΔHi）2；CV i為第i層土層的固結(jié)系數(shù)，CV i=Ki（1+e0i）/（γwai）；Ki為第i層土的滲透系數(shù)； e0i為第i層土的初始孔隙比；ai為第i層土的壓縮系數(shù)；雙面排水條件下，ΔHi取第i層土層厚度的1/2。

瞬時(shí)沉降量為：

對(duì)于砂土層，其透水性較好，沉降一般在瞬時(shí)完成，此時(shí)可取瞬時(shí)沉降為總沉降。

3.4復(fù)雜地層的總變形量

復(fù)雜地層的總變形量由以上三部分組成，總變形量S為：

在實(shí)際工程中，復(fù)雜地層的總變形量受隧道施工影響，而且三部分變形量并不是完全獨(dú)立的，它們之間往往存在相互作用，這種耦合作用使實(shí)際工程的變形量確定更加困難。因此，計(jì)算得出的總變形量會(huì)表現(xiàn)出一定的離散性和不穩(wěn)定性。

4　結(jié)語(yǔ)

鑒于越來(lái)越多的城市隧道修建在復(fù)雜地層中，該文針對(duì)隧道施工所引起復(fù)雜地層的變形，闡述了地層變形的過(guò)程并總結(jié)了復(fù)雜地層變形的特點(diǎn)。此外，通過(guò)將復(fù)雜地層變形看作由材料巖性、結(jié)構(gòu)和環(huán)境三部分所控制變形的疊加，推導(dǎo)了復(fù)雜地層的變形預(yù)測(cè)公式，為實(shí)際工程施工提供參考。

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1671-2668（2016）01-0218-03

2015-11-18