吕东阳，何小龙

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430010）

矿山法施工水工隧洞对地表沉降具有一定影响，对于水工隧洞开挖过程中地表沉降的研究方法主要有：数值分析方法、理论计算法、经验分析法、缩尺模型试验法等，理论计算法最常用的方法是Peck［1］基于理论分析及经验总结出来的Peck公式，常用于单条水工隧洞开挖过程中地表沉降的研究。

目前，国内外专家学者对水工隧洞开挖过程中地表沉降的研究取得了较大进展，并获得较多科研成果：O’Reilly等［2］以水工隧洞施工现场地表沉降实测数据为研究基础，分析了影响水工隧洞开挖的参数对地表沉降的影响，并结合相关研究，得出了分析地铁水工隧洞施工过程中地表沉降的计算公式；韩煊等［3］将Peck公式应用于实际工程应用中，并分析监测结果与计算结果的差异，提出了实际应用中对Peck公式的调整；段宝福等［4］以某地铁实际工程为研究背景，分析了地质状况差异、隧道结构参数及周围建筑物作用对隧上方地表沉降的影响；姚爱军等［5］对吉林某地铁工程进行研究，分析了地铁隧道施工过程中地表沉降的监测数据，并于Peck公式计算结果对比分析，分析了差异存在的原因，并对Peck公式在该工程应用背景下做了相应的修正；周小文等［6］利用离心实验的方法对水工隧洞施工过程中衬砌结构对地表沉降的影响进行分析；贺凯等［7］构建了三维模型缩尺实验，分析了西安某地铁工程地层裂隙作用对地表沉降的影响；常翔［8］在某实际地铁工程的地质状况实测数据基础上，建立了三维数值分析模型，分析了地铁隧道施工对地表及交叉既有隧道沉降的影响。

基于前人通过数值分析方法、理论计算法、经验分析法、缩尺模型试验法等分析水工隧洞施工对地表沉降的基础上，本研究采用有限元数值模型模拟水工隧洞施工地表沉降，并与现场检测数据对比评价模型的适用性，分别分析水工隧洞洞身周围的地层软硬状况、水工隧洞上覆地层状况、水工隧洞爆破进尺效应对地表沉降的影响。

1 工程概况

湖北兴山县矿山水工隧洞全长37.20km，本研究以其中某区间水工隧洞（Ⅴ工段）为研究对象，该区间水工隧洞结构平均埋深约17.5m，衬砌结构拱顶平均埋深约11.5m，水工隧洞截面形式采用单洞单线马蹄型断面，衬砌结构内部净高4.60m，净宽5.20m，结构断面采用复合衬砌结构，周边布置帷幕防水，该区间采用矿山法施工方式进行施工，Ⅴ工段范围内沿南北走向，由南向北地势逐渐降低。

为了监测地表沉降，沿着水工隧洞走向布置了沉降监测仪，沿着水工隧洞走向监测点布置间距约20m，在较为重要的区段内适当加密沿着水工隧洞走向监测点。每个检测仪竖向布置8～15个监测点，对于同一水平截面的断面，布置7个沉降监测仪，在较为重要的区段适当加密横断面监测点。监测仪在水平面上布置如图1。

图1 水平面上监测仪布置

2 建立模型

为了探究不同条件下水工隧洞地表沉降值及分析对沉降的影响，本研究对该水工隧洞建立有限元数值分析模型，模型如图2，模型长60m，宽50m，高50m，将水工隧洞划分为20.19万个单元，采用摩尔-库伦模型对水工隧洞进行研究，模型选择为：水工隧洞衬砌结构采用弹性模型，水工隧洞挖出土体采用空模型。该区间范围内水工隧洞结构所承受的围压为Ⅳ～Ⅵ级，水工隧洞开挖采用CD法开挖，开挖前对水工隧洞周围围岩进行超前小导管注浆加固，防止周围围岩破裂或坍塌。模拟前，为了更好地模拟实际工程状况，将初期支护外1.0m范围内的岩体内摩擦角和黏聚力增大30%，CD开挖模拟过程中，上下台阶的爆破深度分别为1.0，1.5m，两台阶开挖间距为5.0m，每段开挖之后加入100个计算步，该模拟过程为水工隧洞爆破开挖后到初期支护之前的围岩应力作用。

图2 水工隧洞结构模型

模型中土层分布如表1，该水工隧洞上部结构土层为上软下硬复合地层。

表1 土层分布

将Ⅴ工段起点100m的断面实测值与模拟值对比如图3，沉降数据的数据拟合采用高斯峰值函数，下列图中的点代表沉降数据，曲线为沉降数据拟合曲线。

根据图3分析可得，图中模拟结果与实测结果变化趋势基本吻合，均呈现沿着水工隧洞中心线向两侧减小的变化趋势，数据拟合状况较好，但存在微小差异，分析其原因：主要是由于模型中假设地层为均值地层，且不考虑其他影响沉降的因素，但实际工况中，地层是非均质的，地层中存在不良地质的状况，地层中水分的渗入及施工的不确定因素等均是造成这种差异的原因，模型总体上可以很好地模拟实际水工隧洞施工时地表的沉降。

图3 Ⅴ工段起点100m位置处实测值与模拟值

3 地表沉降的影响因素分析

3.1 水工隧洞洞身周围的地层软硬状况

水工隧洞在施工中，水工隧洞洞身周围的地层软硬状况可以使得结构的力学特征发生差异性变化，进而使地表沉降不同，本研究对不同围岩进行划分研究，划分为：全软岩、软硬层厚度比2∶1、软硬层厚度比1∶1、软硬层厚度比1∶2、全硬岩。分别对这5种地层建立数值模型，分析水工隧洞洞身周围的地层软硬状况差异对地表沉降的影响。不同洞身周围的地层软硬状况下的地表沉降结果如图4，不同洞身周围的地层软硬状况下的沉降槽特征如表2。

图4 不同洞身周围的地层软硬状况下的地表沉降

表2 不同洞身周围的地层软硬状况下的沉降槽特征

分析计算结果可得：全软岩地表沉降的最大值为23.439mm，全硬岩地表沉降的最大值为3.414mm，两种地层分布情况下地表沉降差值为20.025mm；对于地层损失率，全软岩是全硬岩10倍。对于不同洞身周围的地层软硬状况，地层的总体软硬越硬，地表沉降、地层损失及地层损失率均越小，且沉降范围越小，但地层的总体软硬越软，则变化规律相反。对于沉降槽宽度系数i最大值为当软硬层厚度比为1∶2时，此时沉降槽宽度系数i值为8.046m；沉降槽宽度系数i最小值为全硬岩时，此时沉降槽宽度系数i值为6.293m。且软硬层厚度比不同时对沉降槽宽度系数i值影响较小，均保持在8.000左右，且均大于单一地层。

3.2 水工隧洞上覆地层状况

由地层分布状况可知，Ⅴ工段水工隧洞上覆地层主要是素填土、粉质黏土及强风化粗粒花岗岩等组成，将地下2～6m范围的土体设计成4种不同工况，研究不同种水工隧洞上覆地层对地表沉降的影响，模拟工况在洞深位置处围岩为软硬层厚度比为1∶2的上软下硬岩层条件下进行，且所有工况中仅2～6m范围的上覆地层存在差别，其余条件及参数保持不变，设计上覆地层状况如表3，不同种水工隧洞上覆地层地表沉降结果如图5，不同水工隧洞上覆地层沉降槽特征如表4。

表3 上覆地层状况设计

表4 不同水工隧洞上覆地层地表沉降槽特征

图5 不同水工隧洞上覆地层地表沉降

分析计算结果可得：黏土-砂土层地表沉降的最大值为10.272mm，全黏土层地表沉降的最大值为10.025mm；砂土-黏土层地表沉降的最大值为9.802mm；全砂土层地表沉降的最大值为9.554mm，每种土层组合之间地表沉降的最大值差距不大，差值为0.718mm，地层损失、地层损失率、沉降槽宽度系数均差距不大，主要原因由于该区段内水工隧洞主要埋藏于地下17.5m左右，埋深较浅，且处于岩层内，且围岩较为坚硬，而上覆层主要是6m深度范围以上，因而水工隧洞施工对上覆层扰动较小，即使更换不同种上覆层，地表的沉降差异较小。因而，水工隧洞上覆层不是影响水工隧洞施工过程中地表沉降较为关键的因素。

3.3 水工隧洞爆破进尺效应

水工隧洞爆破净尺直接影响水工隧洞周围的岩层，因而，地表沉降可能受水工隧洞爆破净尺的影响，本研究分析上台阶爆破净尺长度分别为0.5～2.5m范围的地表沉降，该范围内等间距取值，间距为0.5m，上台阶爆破净尺长度及施工步距保持不变，且模拟过程中其余模拟参数及因素均相同。不同上台阶爆破净尺长度条件下地表沉降结果如图6，不同上台阶爆破净尺长度条件下沉降槽特征如表5。

图6 不同上台阶爆破净尺长度条件下地表沉降

表5 不同上台阶爆破净尺长度条件下沉降槽特征

分析计算结果可得：上台阶爆破净尺长度为0.5m时Smax最小，Smax值为7.186mm，上台阶爆破净尺长度为2.5m时Smax最大，Smax值为14.510mm，增加7.324，增幅比例为101.92%，但均处于规定允许的范围内；上台阶爆破净尺长度为0.5m时i最小，Smax值为7.625m；上台阶爆破净尺长度为2.5m时Smax最大，Smax值为8.146m，增大幅度较小，说明不同的上台阶爆破净尺长度对横向沉降范围影响较小，主要影响地表沉降最大值。分析其原因，由于上台阶爆破净尺长度越大，周围围岩的应力释放越集中，因而导致周围岩体承载力不足，进而影响上覆地层的下沉，最终导致地表产生较大距离的沉降。

4 结语

（1）对比地表沉降监测值和数值模拟分析结果，两结果变化趋势与沉降值基本吻合，说明建立的有限元数值分析模型对该地表沉降模拟具有很好的适用性。

（2）地层的总体软硬越软，横断面上地表沉降最大值越大，地层损失越大，对地表沉降结果越不利。

（3）水工隧洞结构施工对上覆层影响较小，因而水工隧洞上覆地层的差异性对地表沉降影响较小。

（4）上台阶爆破净尺长度越小，地表沉降作用越小，爆破净尺长度为0.5m和2.5m状况下，Smax相差7.324，增幅比例为101.92%，说明上台阶爆破净尺长度差异性对地表沉降的影响较大。