在浅层黄土层中隧道施工引起的地面移动

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Ground movement induced by tunnelling in shallow loess strata

浅埋大跨度黄土隧道地面位移机制及影响因素研究，通过卢川隧道现场监测与数值模拟，揭示地表沉降呈现“窄陡”向“宽缓”转变特征，最大沉降达303mm；围岩变形以垂向为主，水平位移呈先反向后收敛趋势，分层沉降随深度先增后减；地表荷载和降雨显著改变变形模式，形成渐进式剪切破坏与全局沉降复合机制，支撑结构变形速率在中间及下段台阶施工时激增。

　　在浅埋大跨度黄土隧道的建设过程中，地面移动是影响结构安全与稳定的重要因素。黄土是一种特殊的地质材料，其具有较高的孔隙率和易崩解的特性，使得隧道施工过程中容易引发地面沉降、相邻建筑物损坏以及围岩不稳定等问题。这些现象不仅对隧道本身造成威胁，还可能波及地表设施，进而影响整体工程的安全性与经济性。因此，深入研究黄土隧道施工过程中地面移动的规律和机制，对于实现有效的变形控制具有重要意义。

本文以洛川隧道为研究对象，通过现场监测与数值模拟相结合的方法，系统分析了地面移动特征及围岩破坏模式。洛川隧道位于陕西省延安市洛川县，全长4140.43米，采用单洞双线结构，是西安至延安高速铁路的重要组成部分。该隧道穿越多处村庄、工厂和公路，其建设过程受到复杂地表条件的制约。在施工过程中，由于隧道开挖引起的地层扰动，地面沉降和围岩变形成为不可避免的现象。因此，全面掌握地面移动的演变规律，有助于优化施工方案，提高隧道结构的稳定性。

研究发现，地面沉降呈现出明显的“窄而陡”分布模式，随着施工过程中地表荷载的影响，这种分布逐渐转变为“宽而缓”的形式。沉降值从最初的187毫米增加到303毫米，显示出施工对地面的显著影响。此外，地面和支护结构的变形主要表现为较小的水平位移和较大的垂直位移。在垂直方向上，分层沉降的变化呈现出先增加后减少的趋势，说明随着深度的增加，地层的响应特性发生了变化。在水平方向上，隧道轴线方向的位移经历了反向位移后的回弹变形，而隧道横向的位移则向中心区域汇聚，显示出复杂的变形模式。

在地表荷载的影响下，地面移动的幅度显著增加，特别是在中下台阶的施工阶段，变形速率出现明显上升。拱顶的沉降速率高于地表，表明支护结构在承受荷载时表现出更大的变形能力。随着深度的增加，体积损失也有所增加，从2.51毫米增长到3.81毫米，显示出地层在不同深度处对施工扰动的响应存在差异。同时，地表荷载和降雨的共同作用下，差异沉降从142毫米减少至3毫米，表明外部因素对地面移动的影响具有一定的缓解作用。然而，体积损失却增加至5.77至5.80毫米，显示出围岩在受扰动后出现了更为严重的破坏。

地面沉降的等值线分布呈现出垂直方向上的特征，沉降值从隧道中心线向周边逐渐减小。这一现象表明，隧道施工对地表的影响主要集中在中心区域，而周边地层的变形相对较小。同时，围岩的破坏模式主要表现为逐步扩展的剪切破坏，而在拱顶上方则出现了剪切与拉伸复合破坏的现象。破坏范围通常稳定在距离隧道中心线15米以内，说明施工扰动对围岩的影响具有一定的局限性。

从研究结果来看，传统的经验方法和理论计算方法在预测黄土隧道施工引起的地面沉降方面存在一定的局限性。这些方法主要关注地表沉降在平面应变条件下的预测，忽视了施工过程的动态变化，导致其难以准确描述大跨度黄土隧道施工过程中地面沉降的演变规律。而数值模拟方法虽然能够反映地层的复杂响应，但由于黄土结构的特殊性以及构造模型选择的偏差，模拟结果与实际工程情况仍存在一定的差距。近年来，模型试验方法因其能够直观展示地面沉降过程并具有较高的可控性而受到越来越多学者的关注，但受限于监测条件，目前的研究往往集中在拱顶上方的区域，缺乏对隧道顶部以外区域的系统监测。

本文通过洛川隧道的现场监测，系统地记录了不同施工阶段的地面沉降、分层沉降和水平位移数据，以及支护结构的变形情况。研究结果表明，地面移动的规律不仅受到施工方法的影响，还与地表荷载、降雨等因素密切相关。在施工过程中，地表荷载的增加会导致地面沉降的幅度增大，而降雨则可能通过改变地层的物理特性，影响地面移动的速度和范围。因此，综合考虑这些外部因素对地面移动的影响，是实现隧道变形控制的重要前提。

此外，本文还通过数值模拟方法，探讨了地面移动与围岩破坏之间的相互作用机制。模拟结果显示，随着施工的推进，地层的变形和破坏模式逐渐演变，从局部的剪切破坏扩展到整体的沉降。这种演变过程与实际监测数据高度吻合，表明数值模拟能够有效反映黄土隧道施工过程中地面移动的复杂特性。通过结合现场监测和数值模拟，研究者能够更全面地理解地面移动的演变规律，并据此优化支护设计和施工方案，以减少地面沉降对周边环境的影响。

在黄土隧道施工过程中，地表条件的复杂性是一个不可忽视的因素。地表建筑物和设施的存在会改变地层的应力分布，进而影响地面移动的模式和范围。因此，传统的监测方法往往难以准确捕捉这些变化，特别是在地表荷载分布不均的情况下。本文通过多点监测和数据联合分析，克服了这一局限性，为黄土隧道施工提供了更为精确的变形控制依据。

总体而言，本文的研究成果为黄土隧道的施工和设计提供了重要的理论支持和实践经验。通过系统分析地面移动的特征和机制，研究者能够更好地理解施工过程中地层的响应特性，并据此制定更为科学的施工方案。这不仅有助于提高隧道结构的安全性，还能够有效减少施工对周边环境的影响，实现可持续发展的目标。同时，研究结果也为今后类似工程的地面移动监测和控制提供了参考，推动了黄土隧道建设技术的进一步发展。