一种浅埋圆形隧道上半断面施工诱发地面坍塌的预测方法

摘要

一种浅埋圆形隧道上半断面施工诱发地面坍塌的预测方法，属于地下建筑工程技术领域。步骤为：将隧道断面圆心以上地层简化为均一地层，计算简化后均一地层物理力学参数；基于土力学理论计算隧道拱顶开挖面前方纵向不稳定地层长度；针对简化后地层，基于突变理论得出隧道上半断面施工过程中拱顶上覆地层保持稳定的临界厚度值公式；将相关参数具体数值带入上述公式，通过计算得到隧道上半断面施工过程中拱顶上覆地层保持稳定的临界厚度值hcr；将计算得到的隧道拱顶上覆地层临界厚度值hcr和隧道拱顶上覆地层实际厚度值har进行比较，据此对隧道施工期间地面坍塌与否作出预测判断。适用于浅埋圆形隧道上半断面施工是否会诱发地面坍塌的预测判断。

说明书

技术领域

本发明涉及一种浅埋圆形隧道上半断面施工诱发地面坍塌的预测方法 ，属于地下建筑工程技术领域。

背景技术

浅埋隧道工程具有上覆地层厚度小、围岩软弱、地质条件差等显著特 点，这些特点决定了浅埋隧道施工过程中地层变形控制的技术难度大 ，极易发生较大地层沉降并传递至地表。当浅埋隧道位于城市环境中 ，过大的地表变形将影响到城市地面建筑物及地下管线等设施的安全 ，如若发生地面坍塌，其影响将更加严重，不仅会造成地面环境的严 重破坏，还将危及城市新建隧道结构的自身安全，甚至威胁相关人员 的生命安全，从而产生非常恶劣的社会影响。

随着人们环保意识的不断增强，浅埋隧道施工引起的地层位移与变形 及其对周围环境的影响问题己经越来越引起人们的重视，并取得了系 统的研究成果，利用这些研究成果可以对浅埋隧道施工引起的地层变 形值和地层变形范围进行预测。但对于浅埋隧道施工引起的地面坍塌 问题的研究尚不系统和深入，特别是对于浅埋隧道施工诱发地面坍塌 的预测方法研究甚少，因而无法对地面坍塌事故进行准确的预测预报 ，使得浅埋隧道施工期间地面坍塌的防控对策缺乏科学性，导致我国 浅埋隧道施工过程中地面坍塌事故频发。由于地面坍塌事故发生突然 、危害性大，已引起社会各界的广泛关注。

一般情况下，采用台阶法施工的浅埋隧道，其上半断面施工引起地面 坍塌的可能性远大于下半断面施工，因此，本发明试图基于突变理论 ，提出一种浅埋圆形隧道上半断面施工诱发地面坍塌的预测方法。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

浅埋圆形隧道上半断面施工诱发地面坍塌的预测方法包括以下5个步骤 ：

步骤1：将隧道断面圆心以上地层简化为均一地层，对隧道断面圆心以 上不同地层物理力学参数进行加权平均处理，计算得到简化后均一地 层的物理力学参数，包括粘聚力c、内摩擦角、天然重度γ、饱和重 度γ_sat、侧压力系数K₀；

步骤2：计算隧道拱顶开挖面前方纵向不稳定地层长度，基于土力学理 论，依据隧道施工导致在开挖面前方形成的地层破裂面位置，计算隧 道拱顶开挖面前方纵向不稳定地层的长 度，式中r为圆形隧道断面半径；

步骤3：得出隧道拱顶上覆地层保持稳定的临界厚度值公式，针对简化 后地层，按照隧道先开挖上半断面并施工初期支护再开挖下半断面的 施工顺序，以隧道断面圆心以上地层为研究对象进行力学平衡计算， 基于突变理论得出浅埋圆形隧道上半断面施工过程中拱顶上覆地层保 持稳定的临界厚度值公式：

式中：h_cr为隧道拱顶上覆地层临界厚度值，h_w为初始地下水位埋深， s为施工降水引起的地下水位降深，l₂为隧道纵向无支护空间长度，其 他参数意义同前；

步骤4：计算隧道拱顶上覆地层临界厚度值h_cr，根据上述计算公式，带 入相关参数具体数值，通过计算得到浅埋圆形隧道上半断面施工过程 中拱顶上覆地层保持稳定的临界厚度值h_cr；

步骤5：隧道施工期间地面坍塌与否的预测判断，比较隧道拱顶上覆地 层实际厚度值h_ar和隧道拱顶上覆地层临界厚度值h_cr，若h_ar < h_cr，则隧 道施工期间不采取有效措施将极易发生地面坍塌，反之则将一般不会 发生地面坍塌。

本发明的有益效果是：

（1）适用于浅埋圆形隧道上半断面施工地面坍塌事故的预测分析，可 使浅埋圆形隧道施工期间地面坍塌的防控更具科学性；

（2）采用本方法对地面坍塌事故发生的可能性进行预测判断，从而可 在隧道施工前根据预测结果制定更加科学合理的施工方案和技术措施 ，以有效防控地面坍塌事故的发生。

附图说明

图1为本发明具体实施例隧道与地层位置关系剖面图；

图2为本发明浅埋圆形隧道上半断面施工诱发地面坍塌预测方法的流程 图；

图3为本发明建立的浅埋圆形隧道上半断面施工诱发地面坍塌分析模型 图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

某浅埋隧道为圆形隧道，隧道开挖半径r为3.0m，按照先开挖上半断面 再开挖下半断面的顺序进行施工。隧道纵向无支护空间长度l₂为1.0m ，隧道断面圆心以上地层包括2层，自 上而下分别为素填土和砂砾土地层，地层物理力学参数见表1，隧道与 地层的位置关系剖面图见图1。隧道拱顶上覆地层实际厚度值h_ar为6.0 m，地层中的初始地下水位埋深为地面以下2.0m，隧道施工降水引起的 地下水位降深为7.0m。为了避免隧道施工期间发生地面坍塌事故，确 保施工安全，采用了本发明中的浅埋圆形隧道上半断面施工诱发地面 坍塌的预测方法。

表1 地层物理力学参数

本发明具体实施例浅埋圆形隧道上半断面施工诱发地面坍塌预测方法 的流程图如图2所示。

步骤1：将隧道断面圆心以上地层简化为均一地层，对隧道断面圆心以 上不同地层物理力学参数进行加权平均处理，计算得到简化后均一地 层的物理力学参数，包括粘聚力c、内摩擦角、天然重度γ、饱和重 度γ_sat、侧压力系数K₀，简化后均一地层的物理力学参数计算结果见表 2；

表2 简化后均一地层物理力学参数

步骤2：计算隧道拱顶开挖面前方纵向不稳定地层长度，基于土力学理 论，依据隧道施工导致在开挖面前方形成的地层破裂面位置，计算隧 道拱顶开挖面前方纵向不稳定地层的长度m；

步骤3：得出隧道拱顶上覆地层保持稳定的临界厚度值公式，针对简化 后地层，按照隧道先开挖上半断面并施工初期支护再开挖下半断面的 施工顺序，根据图3，以隧道断面圆心以上地层为研究对象进行力学平 衡计算，基于突变理论得出浅埋圆形隧道上半断面施工过程中拱顶上 覆地层保持稳定的临界厚度值公式：

式中：各参数意义同前；

步骤4：计算隧道拱顶上覆地层临界厚度值h_cr，根据上述计算公式，带 入相关参数具体数值，通过计算得到浅埋圆形隧道上半断面施工过程 中拱顶上覆地层保持稳定的临界厚度值h_cr为6.9m；

步骤5：隧道施工期间地面坍塌与否的预测判断，隧道拱顶上覆地层实 际厚度值h_ar为6.0m，而隧道拱顶上覆地层临界厚度值h_cr为6.9m，由于 h_ar < h_cr，因此可知，隧道施工期间不采取有效措施将极易发生地面坍 塌事故。