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地下水环境影响隧道工程论文 篇1：
市政浅埋隧道的设计施工技术探讨
摘 要：城市地下空间的开发利用，使得市政工程建设中浅埋和超浅埋暗挖隧道工程越来越普遍。浅埋隧道相比深埋隧道而言，具有其显著的不同。因其埋深浅， 不能有效形成承载拱， 容易坍塌，对市政地下管线、地表建（构）筑物及周边环境会造成很大的影响或破坏。浅埋隧道设计应遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则，并根据不同条件选择合理的开挖方式与施工工序。信息化施工反馈优化设计是市政浅埋隧道工程建设中的不可或缺的重要环节。
关键词：浅埋隧道 超浅埋隧道 设计 施工技术
城市地下空间作为新型国土资源日益受到全世界各国的重视。地下空间的开发利用已成为医治“城市综合症”、解决城市人口、资源、环境三大危机以及保持城市可持续发展的重要途径之一。近年来，我国城市化水平发展较快，城市基础设施建设投入很大。为缓解快速发展的城市交通机动化所带来的“行路难”问题，几乎各大城市都在下大力气开发和利用地下空间。为尽量避免兴建基础设施对正在运营的城市交通条件产生过大的影响，地下暗挖工程越来越多，市政工程中的大跨浅埋和超浅埋隧道工程不断涌现[1]。越来越苛刻的城市环境限制条件，给市政浅埋隧道工程的设计和施工提出了更高的要求。由于浅埋隧道在结构受力和环境影响程度以及控制条件和标准上与深埋隧道具有很大的差别，不能照搬照抄已有较多工程经验积累的公路或铁路深埋隧道经验，必须对浅埋隧道的特征有清晰的认识，才能科学地组织市政浅埋隧道工程的建设。本文针对市政浅埋隧道的界定和特点出发，对其如何开展设计和施工进行探讨。
1 浅埋隧道的界定
在隧道的设计与施工建设中，根据工程特点和埋深的大小分为深埋、浅埋和超浅埋隧道等。埋深深度不同，隧道的设计和施工方法也会有很大区别[2]。深埋与浅埋之分，并非单纯指隧道顶至地表的地层厚度而言，还应结合上覆岩层的水文地质与工程地质特征，围岩松散、风化、破碎、断层影响的程度与结构强度以及地下水和围岩力学变形特征等因素进行综合判定[3]。要严格准确的给出深埋、浅埋和超浅埋隧道的分界一般是比较困难的，通常采取以下几种方法界定[4]。
（1）根据工程设计经验界定。
由于我国在铁路隧道方面的工程实例较多，实践经验丰富，对于铁路单线和双线隧道，深埋与浅埋隧道分界以2.5倍塌方高度确定。当地面水平或接近水平，且隧道覆盖层厚度小于表1情况时，可按浅埋隧道设计。
（2）以不对地面产生影响为限界定。
以不对地面产生影响为原则进行隧道深埋和浅埋的划分，具体做法是按压力拱高h和地表宽度影响系数ω大小来确定，见表2所示。
其中，压力拱高h由式（1）计算，即：
（1）
式中，f为岩土坚实系数；b为压力拱跨度之半；a为开挖断面高度；为摩擦角。
地表宽度影响系数ω可参照下式确定：
（2）
式中，ω为宽度影响系数；B为隧道开挖宽度；i为系数，当B<5m时，i取0.2，当B>5m时，i取0.1。
（3）根据塌方统计平均高度界定。
以埋深等于坍方统计平均高度的2倍作为分界参考标准。根据文献[5]，深埋与浅埋隧道的分界标准见表3。
（4）依据荷载等效高度界定。
以荷载等效高度判断深埋与浅埋隧道的判定式为：
（3）
式中，为深埋与浅埋隧道分界深度；为荷载等效高度，；q为深埋隧道垂直均布压力，KN/m2，；J为围岩级别。
若洞顶覆盖层厚度大于时，为深埋隧道，否则为浅埋隧道。若隧道施工按照矿山法施工，采取钻爆法施工的隧道，Ⅳ～Ⅵ级围岩，Ⅰ～Ⅲ级围岩。
2 超浅埋隧道的界定
城市的市政工程建设中经常遇到超浅埋隧道。目前，针对超浅埋与浅埋隧道划分而言，尚无严密的界定方法，通常借助以下方法判定[6]。
（1）覆跨比判别法。覆土层厚度H与隧道跨度B（隧道断面直径）之比，当H/B≤0.4为超浅埋隧道，H/B>0.4为浅埋隧道。
（2）覆盖层整体下沉时，即隧道洞内拱顶变位值≤地表沉降值时，可视为超浅埋隧道。
（3）若隧道结构顶部进入地面以下5 m范围的管道层中时，统称超浅埋。
（4）在具备试验条件下，可用实测压力P与垂直土柱重量γh之比来确定。但P/γh≤0.4为深埋隧道，0.4
0.6为超浅埋隧道。超浅埋隧道在初期支护作用下，围岩塑性区一般可达到地面，覆盖层易发生整体位移下沉。
3 超浅埋隧道的工程特点
对浅埋隧道工程而言，其显著的特点就是埋深浅，因开挖施工扰动而引起的地层运移明显，对浅埋地下管线、地表建（构）筑物及周边环境会造成很大的影响或破坏。所以，浅埋隧道的设计与施工技术均有很高的要求。浅埋暗挖技术被证明是浅埋与超浅埋隧道施工的较佳选择，已在全国范围内得到了普遍推广[7]。该法是在山岭隧道硬岩新奥法施工经验基础上，结合地质与水文地质状况而建立的隧道施工技术。它利用新奥法的基本原理，采用先柔后刚复合式衬砌新型支护结构体系，初期支护进行承载设计，二次模筑衬砌作为安全储备，初衬与二次衬砌共同承担特殊荷载的设计理念。
信息化施工是浅埋与超浅埋隧道工程中必不可少的重要环节。监控量测是隧道信息化施工的基础，是检验设计参数、评价施工方法合理性，动态跟踪围岩和支护结构稳定性、确保施工安全、修订和指导施工工艺、进行科学信息化施工管理的重要手段。浅埋暗挖隧道的施工根据不同隧道各自特征，采用不同的开挖及支护方式， 并配合监控量测，形成一套完整的信息反馈、设计与施工体系。
4 浅埋隧道设计方法
对于不同埋深的隧道，通常按不同的方法进行设计计算：深埋隧道按塌落拱荷载计算，浅埋隧道按松散荷载计算，超浅埋隧道则按全土柱加地面动、静换算荷载计算。超浅埋隧道由于埋深浅，不能有效形成承载拱，施工不当会引起很大的附加荷载，容易坍塌或产生很大的地面下沉。因此，超浅埋隧道的设计应遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则，着重从超前预支护加固方法和衬砌结构设计两个方面入手[8]。
超前预支护设计应结合隧洞上覆土层厚度和围岩条件，采取长管棚、小导管注浆加固，当具备条件时也可采取隧道拱顶地表预加固处理措施。超浅埋隧道一般应采用大刚度管棚，管棚内压注水泥浆或化学浆液，改良地层，形成一定厚度的加固带，构成有效的伞状保护壳，然后在其保护下开挖隧道。超前预支护通常采取工程类比法进行设计。
隧道衬砌结构的设计，一般先根据规范方法确定隧洞所受围压压力，将衬砌结构离散为连杆单元，用在节点设置双向弹簧的方法模拟地层反力，借助有限元方法试算后，将产生拉力的土弹簧删除，再次试算，直至所有弹簧全部受压。隧道初衬和二衬之间用连杆单元模拟二者之间的荷载传递与分担关系，分担比取值依据经验确定。通过模拟计算各个施工阶段，确定出最不利工况，并以此为依据确定支护结构参数。
前述设计主要从隧道稳定性角度进行的初步设计，而对于隧道围岩变形则难以定量考虑，需要在确定隧道施工方法后，根据现场实测反馈信息，再开展进一步的支护参数和施工参数优化设计，以使隧道的设计与施工达到最优状态。
5 浅埋隧道施工技术
实践已证明：不同的开挖方法和开挖顺序对地面沉降有很大影响，隧道施工方法的确定应结合超浅埋隧道的变形与受力特点，选择有利于控制沉降的方式。浅埋隧道开挖常用的方法有台阶法、中隔壁法（CD法）、交叉中隔墙法（CRD法）、双侧壁导洞法（眼镜工法）等[9]。不同施工方法的适用条件及特点如表4所示。
从国内外现有的工程实践和实验研究来看，若基于经济性和工期考虑，其工法优选顺序为：正台阶法、CD工法、CRD工法、眼镜工法；若从安全性和环境影响角度考虑，其优选顺序则正好相反。工程实践中， 应根据地质条件、断面大小、地面环境等因素从工法的可实现性、工期、安全性、适应性、技术性和经济性六个方面综合考虑， 选择合适的施工方法[10]。
6 结语
浅埋与超浅埋隧道工程在城市市政工程建设中越来越多。而以往的实践中，工程实例和工程经验积累较多的是公路、铁路以及水利水电等行业的深埋隧道工程。随着对隧道工程空间跨度和环境影响限度的要求增高，浅埋与超浅埋隧道所具备的与深埋隧道不同的特征应逐渐被清晰的认识，并在其设计和施工中得以体现。
（1）浅埋、深埋和超浅埋隧道的变形和受力各不相同，应首先界定隧道工程的属性才能进行合理的设计，虽有一些常用的经验性分类方法，但其理论并不严密。
（2）浅埋大跨隧道应根据施工过程进行多工况计算，由最不利工况确定隧道支护参数。同时，施工信息反馈是浅埋与超浅埋隧道工程中，进行设计优化的必不可少环节。
（3）浅埋暗挖是浅埋与超浅埋隧道工程普遍适宜的施工方法。浅埋暗挖有多种工法，应根据地质条件、断面大小、地面环境等因素，从工法的可实现性、工期、安全性、适应性、技术性和经济性等方面综合考虑，选择最合适的施工方法。
参考文献
[1] 王志达.城市人行地道浅埋暗挖施工技术及其环境效应[D].杭州：浙江大学，2009.
[2] 王梦恕.浅埋暗挖法设计、施工问题新探[J].地下空间，1992，12（4）：289-294.
[3] 郑伟.超浅埋暗挖地下工程铺盖结构的分析与设计[D].北京：北京工业大学，2012.
[4] 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社，2010.
[5] 赵永国，谷志文，韩常领.浅埋、超浅埋隧道的设计与施工技术[J].公路，2009（10）：323-327.
[6] 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社，2004.
[7] 孙飞.复杂地质条件浅埋暗挖地铁隧道施工地表沉降及控制技术研究[D].大连：大连大学，2009.
[8] 向钰周.浅埋隧道破坏机理及设计方法研究[D].重庆：重庆交通大学，2012.
[9] 欧敏.特大断面浅埋偏压隧道双侧壁工法关键性问题研究[D].华侨大学，2012.
[10] 钟方杰.浅析超浅埋暗挖隧道之设计与施工[J].
作者：陈辰
地下水环境影响隧道工程论文 篇2：
地下水影响下隧道不同开挖方式的数值模拟
摘要：以大连某山体公路大跨度隧道为工程背景，基于流固耦合原理，考虑地下水影响下不同开挖方式对隧道开挖的影响，对涌水量、围岩位移、应力以及围岩稳定系数进行了对比分析。结果表明：导洞法开挖引起的拱顶沉降是最小的，而拱底隆起和横向拱腰位移却是最大的，以自编的强度折减法程序计算出来的围岩稳定系数也是最大的，因此，相比于其他3种开挖形式导洞法更适合于富水条件下的大跨度隧道的开挖，为类似工程的设计和施工提供了一定依据。
关键词：流固耦合；开挖方式；涌水量；稳定系数
0 引言
近年来，人类对交通的需求与日俱增，而随着地上空间开发的逐渐受限，人类把目光投向了地下空间，因此地下空间的应用与开发越来越受到世界各国的关注（钱七虎，1998；刘宝深，1999），在城市里，隧道以对周围环境影响少、污染小和结构比较稳定的优点获得人类的青睐，被广泛应用于城市的地下空间开发。
随着国内经济的快速发展，隧道在城市交通建设方面得到广泛的应用。隧道工程建设位置的工程地质和水文地质环境相当复杂，所穿越的地层既有较硬的裂隙岩体，又有软弱的砂质地层等。无论何种地层，地下水都是需要解决的问题。在富水条件下开挖隧道，围岩物理力学参数会受地下水影响而降低，另一方面，隧道的开挖会导致围岩应力场和渗流场重新分布，从而引起孔隙压力的变化，反过来孔隙压力的变化也会导致应力场的变化，两场之间耦合作用会加剧地层变形（薛新华，2008；李地元等，2007；原华等，2008）。在土质较差的地层，两场的耦合作用将会更强，地下水对隧道上覆土层变形的影响较大，此时若不考虑渗流场与应力场的耦合作用，会给计算结果带来一定的误差。
环境因素决定了隧道开挖的手段，因此，需要基于流固耦合原理考虑地下水的影响；不同开挖方式直接决定了施工的难易，也决定了施工过程的安全，因此，对不同开挖方式的研究也十分重要。笔者以大连某山体公路大跨度隧道为背景，模拟对比了4种隧道开挖方法，寻找在富水条件下最适合的开挖方式。
1 流固耦合原理及隧道开挖方法
1.1 流固耦合原理
本次模拟采用FLAC3D软件实现，该软件采用等效连续介质模型将流固耦合机理运用到岩石中，即将岩体视为多孔介质（Itasca Consulting GroupInc，2003），流体在介质中的流动服从Darcy定律，同时满足Biot方程。该软件使用有限差分法进行流固耦合计算，包括以下几个微分方程（陈育明，徐鼎明，2013；关宝树，2003）。
1.1.1 平衡方程
对于小变形情况，流体质点平衡方程为式中，qi，j为渗流速度（m·s-1），qv为被测体积的流体源强度（s-1），ζ为单位体积孔隙介质的流体体积变化量，t是时间（s）。
而对于饱水孔隙介质，则有式中，M为比奥模量（N·m-2），p为孔隙水压力（Pa），α为比奥系数，ε为体积应变，T为温度（℃），β为考虑流体和固体颗粒的热膨胀系数（℃）。
1.1.2 渗流运动方程
流体通常用Darcy定律来表示其运动形式。对于均质介质情况，其渗流运动方程为
qi=-k[-ρfxigi]i. （3）式中，qi为渗流量（m3·s-1），k是介质的渗透系数（m·s-1），pr为流体密度（kg·m-3），gi为重力加速度分量（m·s-2）。
1.1.3 本构方程
流固耦合作用的实质为有效应力原理，即岩土介质有效应力的变化将导致体积应变的发生，从而引起流体孔隙压力的变化，反之，孔隙压力的变化也会导致有效应力的变化。其本构方程的增量基本形式为
△σij+α△pδij=Hij（σij，△εij）. （4）式中，△σij为有效应力增量，Hij为介质力学行为相关的函数，△εij为应变增量。
1.1.4 边界条件
渗流计算边界条件有4种：①给定孔隙水压力；②给定边界外法线方向流速分量；③不透水边界；④透水边界。其中透水边界采用如下形式给出：
qn=h（p-pe）. （5）式中，qn为边界外法线方向流速分量（m·s-1），h为渗透系数（m3·（N·s-1）），pe为渗流出口处的孔隙水压力（Pa）。
1.2 隧道开挖方法
沉管法、矿山法和盾构法为开挖隧道的主要施工方法，其中矿山法是一种传统的施工方法，在地下工程发展史上一直占有重要的地位。矿山法指在修建隧道和开挖地下坑道时使用同一种作业方式的施工方法（董宁，辜文凯，2012），其基本原理是：隧道周围的岩体会在隧道开挖后因受爆破的影响而破裂处于松弛状态，因此随时都有可能坍落。基于这种松弛荷载理论依据，其施工方法是按分部顺序采取分割式一块一块地开挖，要求边挖边撑以求安全。随着喷锚支护的出现，进而发展成新奥法。以下只对矿山法的3种开挖方法做简要阐述。
（1）台阶法
台阶开挖法将结构断面分成两个以上部分分步开挖。根据地层条件和机械配套情况，台阶法又可分为正台阶法和中隔壁台阶法。台阶开挖法适合于土质较好的隧道施工，软弱围岩、第四纪沉积地层隧道。
（2）单侧壁导坑法
单侧壁导坑法是将断面横向分成3块或4块，侧壁导坑尺寸应充分利用台阶的支撑作用，并考虑机械设备和施工条件。单侧壁导坑法适用于断面跨度大、地表沉陷难以控制的软弱松散围岩处隧道施工。
（3）双侧壁导坑法
双侧壁导坑法一般是将断面分成4块：左侧壁导坑、右侧壁导坑、上部核心土、下台阶。左侧壁导坑、右侧壁导坑错开的距离，应以开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧已成导坑为原则。适用于隧道跨度较大、地表沉陷要求严格、围岩条件特别差、单侧壁导坑法难以控制围岩变形时的地层条件。
2 工程实例
2.1 工程概况
大连市的气候属温带季风气候，并具有海洋影响的特点。冬季气温较低、降水少；夏季气温较高、降雨较多且集中。本文以大连某山体隧道工程为研究对象，该工程入口处为分离式双洞，单向三车道，隧道主要包括两车道部分、变宽段部分和三车道部分。拟建隧道埋深2.23～164.00m，山体水位线较高，属于富水条件下开挖。隧道洞身拟采用复合式衬砌混凝土结构。
2.2 模型建立
根据实际工程的地质勘查资料，得出三车道公路隧道在总体上属于Ⅳ级围岩。其物理力学参数为：重度γ=23kN·m-3，粘聚力C=0.3MPa，内摩擦角φ=32°，弹性模量E=4GPa，泊松比μ=0.333。拱顶埋深D=105m，隧道高H=11.3m，跨度B=16.2m。为减少数值模型中边界约束条件对计算结果的影响，确保计算结果精度，同时尽量提高计算效率，流固耦合计算时，隧道轴线方向取单步开挖步长为2m，计算域在水平方向由隧道轴线向两侧各取60m，在竖直方向由隧道轴线向上、下两侧各取60m。整体模型尺寸为120m×120m×10m，采用摩尔一库仑屈服准则，由于地下水非常丰富，因此水位线取到模型顶端。隧道轴心处孔隙水压力为固定值，两侧及底部边界为不透水边界，不考虑隧道初支的止水作用，在隧道开挖面设置零压力水头边界。模型顶端自由，底部施加三方向位移约束，两侧及沿隧道轴线方向边界水平位移约束，初始应力主要考虑岩层的自重应力。同时为了比较不同开挖方法下同一断面围岩的力学特征变化，分别采用三台阶预留核心土法、导洞法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法建立数值模拟研究，如图1所示，模型中，围岩采用实体单元，锚杆采用了Cable单元进行模拟，其中钢拱架的作用用等效的方法予以考虑。
3 4种开挖方式的对比
开挖方式的不同必定会对隧道围岩的位移、应力以及稳定性产生影响，以下对4种开挖方式的具体影响进行分析。
3.1 涌水量分析
涌水及地下水超量排放引起的环境问题是隧道及地下工程施工常见的灾害之一，隧道涌水是隧道设计和施工所面临的挑战之一（高虎军，2012）。笔者给出单侧壁导坑法、导洞法、双侧壁导坑法及台阶法4种开挖方式的涌水量（表示隧道每天每延米涌水量，单位m3/d/m），分别为13.25、14.56、14.07及12.74。由此可以看出：导洞法的涌水量最大，台阶法最小，由涌水量数据可以反映出，在支护结构都一样的前提下，导洞法这种开挖方法本身的防水效果较差，台阶法最好。
3.2 位移场分析
将4种开挖方式开挖完成后引起的隧道围岩位移的大小进行总结，如表1所示，图2只给出导洞法的竖向和横向位移云图。由图2a可以看出：竖向位移在拱顶和拱底处达到最大，由图2b可以看出：水平位移在拱肩上部和拱脚下端以及拱腰处达到最大。
由表1可得出：4种开挖方式中台阶法的竖向拱顶位移最大，为1.90cm，导洞法的竖向拱顶位移最小，为1.66cm，而拱底位移则相反，导洞法拱底位移最大，为1.55cm，台阶法拱底位移最小，为1.25cm，由竖向位移可以得知，断面开挖分块较多的开挖方法比较稳定，引起的拱顶沉降比较小。由涌水量数据可以得出：导洞法涌水量最大，台阶法最小，这是由于地下水的渗流引起了周围岩土体的变动，加剧了拱底的隆起，因此导洞法拱底位移最大，台阶法最小，所以说拱底是富水条件下开挖隧道的一个薄弱环节（路平，2012）。对于拱腰横向位移，4种开挖方式中导洞法的拱腰横向位移最大，为0.45cm，台阶法的最小，为0.37cm，这同样是因为地下水的渗流效果引起了岩土体的变动。
3.3 应力场分析
笔者只给出导洞法的竖向和横向应力云图，如图3所示，其余开挖方式的应力云图图形都相差不大，只是应力大小上的改变。从图3中可以看出：隧道开挖后，洞口出现应力集中现象。4种开挖方式的应力值列于表2。
由表2可以得出：4种开挖方式产生的应力都集中于隧洞洞口附近（徐孟林，2014），台阶法的应力相比于其他3种开挖方式是最大的，而导洞法开挖周围围岩应力是最小的，这是因为台阶法工艺的自身防水性能在4种开挖方式中是最好的，而导洞法最差，涌水量过多，导致围岩内部的孔隙水压力减少，从而导致了隧洞洞口周围应力的减少。
3.4 稳定性分析
FLAC3D软件自带自动搜索安全系数的命令solve fos，而此命令仅适用于Mohr-Coulomb模型。通过对围岩的粘聚力C和内摩擦角φ进行不断折减，直到围岩处于临界破坏状态，从而确定安全系数（Ugai，1989），这种方法的实质就是强度折减法，此程序是利用内插逼近的方法确定安全系数。
由该方法计算出来的单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、导洞法及台阶法4种开挖方式的强度折减系数分别是1.615、1.653、1.699及1.496。从安全系数可以看出：导洞法和双侧壁导坑法相对于另外两种开挖方式围岩的稳定性更加稳定，而导洞法要比双侧壁导坑法略好一点。因此通过围岩安全系数的对比可知：导洞法更加适合大跨度富水条件隧道的开挖。
通过对比4种开挖方法，可知导洞法相比于其他3种开挖方法，更适合于这种大跨度的隧道开挖，虽然其本身的防水性能不是很好，但可以通过后续施工去弥补，因此在富水条件下的大跨度隧道开挖，导洞法更适合。
4 结论
基于流固耦合理论，考虑地下水影响下4种开挖方式对隧道开挖的影响，从而得出：4种开挖方式中台阶法自身防水性能最好，其次依次是单侧壁，双侧壁导坑法和导洞法；对于位移，导洞法开挖引起的拱顶沉降是最小的，而拱底隆起和横向拱腰位移却是最大的，而台阶法则是相反；对于应力，导洞法开挖围岩周围的竖向、水平应力和大主应力都是最小的，台阶法则最大。
对于围岩的安全系数，采用自编强度折减法程序，对4种开挖方式进行计算，可以得出：导洞法的安全系数最大，依次是双侧壁、单侧壁导坑法和台阶法，由此得出对于大跨度隧道在富水条件下开挖，导洞法相比于其他3种开挖形式更适合的结论。
作者：吴开荣 王桂萱 赵杰
地下水环境影响隧道工程论文 篇3：
基于变维分形的公路隧道围岩空间分布特征探讨
摘要：公路隧道围岩是由地质环境的多种因素共同作用的结果，且因子之间往往存在叠加效应与耦合作用，它们共同推动了隧道围岩的演化与发展，进而控制着不同围岩级别的空间分布。文章以滇西保泸高速公路老营特长隧道为例，基于分形理论，运用变维分形方法，对隧道围岩与地质环境影响因子的关系进行了量化分析。研究结果表明：隧道围岩分布与断层、水系、地层岩性的因子间均呈现变维分形特征，且均呈2阶累计和分形分布;断层与Ⅴ类围岩的分维值最大，D2=1.4996，断层对隧道Ⅴ类围岩分布的控制最为复杂，影响程度最大;Ⅳ类围岩分布对水系特征最敏感，D2=1.4923;地层岩性对Ⅲ类围岩分布的贡献最大，D2=1.4644。总之，累计和变换分形的阶数及分维值的大小，能够从分形角度反映出不同围岩级别对地质环境各影响因素的敏感程度，为深入研究隧道围岩的空间分布特征提供了思路。
关键詞：公路隧道;隧道围岩分级;隧道地质环境;变维分形理论;GIS
0 引言
隧道围岩级别是由多种因子共同作用的结果，其中的关系错综复杂，且因子之间往往存在叠加效应与耦合作用。例如，地质构造在一定程度上控制着地下水网的分布和边界，同时影响着地层岩性的物理力学性质。而地下水动力场特征，在部分程度上，也同时受到当地水网分布制约，化学场效应亦受到流经地层岩性的影响。此外，隧道工程的外水应力场分布特征，总体由地质构造及岩体完整程度等综合影响。众多因子是在相互联系和作用的过程中共同推动了隧道围岩的演化与发展，进而控制着不同围岩级别的空间分布。
运用传统方法较难揭示出众多影响因子中的主控因子，亦无法区分各因子对隧道围岩的敏感程度及贡献大小。付昱华[1]、薛天放等[2]、侯威等[3]、菊春燕等[4]、邱海军等[5]、李珊珊等[6]应用各阶累计方法将原始数据进行变换，使得无法用常维分形处理的原始数据，变换成为可用常维分形方法进行处理。本文以滇西保泸高速公路老营特长隧道为例，基于分形理论，运用变维分形方法，对隧道围岩与地质环境影响因子的关系进行了量化分析，为深入研究隧道围岩的空间分布特征提供了思路。
1 研究实例
保泸高速公路起于保山市老营，接已建杭瑞高速公路，止于怒江州泸水县六库小沙坝，
全长85.132km。项目地处横断山脉中段，澜沧江与怒江之间，地势基本呈北高南低，区域内大多山高坡陡，山脉走向及河流流向多受构造控制呈北北西向。
老营特长隧道位于保山市境内，是保山至泸水高速公路的重大控制工程，穿越横断山脉南端的保山坝“西山梁子”，设计为分离式隧道，右幅隧道长11515m，最大埋深1255m，为山区越岭特长隧道。隧址区地质构造复杂，穿越多条区域性断裂带，区域稳定性较差，主要受东侧北北西向李子园～瓦窑断裂和西侧南北向怒江断裂（区内称泸水断裂）控制。其中，老营隧道（右幅）各级别围岩所占比例为：Ⅴ级围岩占单幅全长19%、Ⅳ级围岩占60%、Ⅲ级围岩占21%[7]。
2 隧址区地质环境主要影响因子
2.1 水系
设置隧道轴线两侧各3km为研究边界（以下类同），提取隧址区水系缓冲区，对边界内水系进行200m、400m、600m、800m、1000m的缓冲，建立<200m、200～400m、400～600m、600～800m、800～1000m和>1000m共6个缓冲区间，如图1所示。
2.2 断层
对隧址区内断层迹线作缓冲，获得6个缓冲区间，分别为<200m、200～400m、400～600m、600～800m、800～1000m和>1000m，如图2所示。
2.3 地层岩性
隧址区区域地层分布广泛，主要有新生界第四系（Q），中生界侏罗系（J）、三叠系（T），古生界二叠系下统（P）、石炭系（C）、泥盆系（D）、志留系（S）、奥陶系（O）、寒武系（∈），元古界高黎贡山群（Ptgl）等地层。
老营隧道穿越的主要地层为第四系（Q）、石炭系（C）、泥盆系（D）、志留系（S）、奥陶系（O）、寒武系（∈）。根据隧道穿越地层实际情况，将部分地层年代合并，如图3所示。[KH-*1]
4 隧道围岩分布与地质环境因子的变维分形
4.1 围岩分布与水系之间的分段变维特征
计算出隧址区水系的不同缓冲区间内的不同围岩分布长度N（r），并将其按照从大到小降序排序，重新按r=1，2，3，…，6编排序号，如表1所示。分别在双对数坐标中绘制不同水系缓冲区间内的原始围岩分布长度N（r）与缓冲区间所指示序号r的关系曲线。可见，在未进行变换前，在双对数坐标上N（r）—r呈现出非线性关系，无法用常维分形加以分析，因此需要对其进行一阶累计和变换，变换后的曲线如图4所示，经拟合其相关系数R2=0.9183（Ⅳ类围岩），效果不好。因此，继续在此基础上再对其进行二阶累计和变换，得到最终的曲线图，如图4所示。经分析拟合成直线关系，且相关系数R2=0.9998，接近于1，拟合度极高，可得出结论：隧道围岩分布与水系具有二阶累计和变维分形关系，分维值D2=1.4923（Ⅳ类围岩）。
4.2 围岩分布与断层之间的分段变维特征
将隧道不同围岩与断层缓冲区图进行叠加，可得到断层各个缓冲区间的不同围岩分布长度。采用累计和变换分形方法，得出相应的分维序列图（见图5）。限于篇幅，表2汇总了Ⅲ类围岩分布长度与断层的分段累计和变维分形计算结果。
4.3 围岩分布与地层之间的分段变维特征
将隧道不同围岩与地层分布图进行叠加，可得到各个不同地层范围的不同围岩分布长度。采用累计和变换分形方法，得出相应的分维序列图（见图6）。限于篇幅，表3汇总了Ⅴ类围岩分布长度与地层的分段累计和变维分形计算结果。5 隧道围岩与地质环境因子分维值的相关性
分维值是表征隧道围岩自相似性的良好参数，通过分维值，可以反映出隧道围岩与各个影响因子之间复杂关联性，从而揭示隧道围岩在空间分布上的变维分形特征。为便于比较，将上述基于累计变换的变维分形结果汇总，如表4所示。
当某个因子呈现高阶累计和变换时，指示出该因子与隧道围岩的关系较为复杂，对围岩空间分布的贡献也较大;反之，则显示与隧道围岩的关系相对简单，贡献亦较小。而对于同阶变换的因子而言，分维数D越大，表示与隧道围岩的关系相对复杂，对围岩空间分布的贡献也较大;分维数D较小，则表征与隧道围岩的关系相对简单，贡献亦较小。通过对比隧道围岩分形结果，获得以下认识：
（1）隧道围岩分布与断层、水系、地层岩性的地质环境影响因子间均呈现变维分形特征，均呈2阶累计和分形分布，这些因子在一定程度上控制着隧道围岩级别的空间分布。
（2）断层与Ⅴ类围岩的分维数最大，D2=1.4996，表明断层对隧道Ⅴ类围岩分布的控制最为复杂，影响程度最大;水系与Ⅳ类围岩的分维数最大，D2=1.4923，表明Ⅳ类围岩分布对水系特征最敏感;地层岩性与Ⅲ类围岩的分维数最大，D2=1.4644，表明地层岩性对Ⅲ类围岩分布的贡献最大。
（3）本文得出分维值的大小，从分形角度反映出不同围岩级别对地质环境各影响因素的敏感程度，即地质环境各因子对隧道围岩划分的相对贡献大小。根据累计变换次数和分维值的大小，可知地质环境各因子对老营隧址区的隧道围岩分布贡献大小排序依次是：对于Ⅴ类围岩，断层>地层岩性>水系;对于Ⅳ类围岩，水系>断层>地层岩性;对于Ⅲ类围岩，地层岩性>水系>断层。
6 结语
累计和变换分形的阶数及分维值的大小，能够从分形角度反映出公路隧道不同圍岩级别对地质环境影响因素的敏感程度，即隧址区的地质环境因子对隧道围岩分级的相对贡献大小。在山区复杂艰险地质条件下，在工可及初设阶段，基于分形理论，对长大深埋隧道围岩半定量化快速评判以及越岭段隧道方案比选，是进一步讨论的方向。
参考文献：
[1]付昱华.变换形成的分形与海洋环境数据分析预测[J].海洋通报，2000，19（1）：79-88.
[2]薛天放，杨 庆，栾茂田.基于GIS技术的滑坡空间分布的分形特征研究[J].岩土力学，2007，28（2）：347-350.
[3]侯 威，张 茜，楼蓉蓉，等.基于变维分形理论的滑坡空间分布特征研究[J].安全与环境工程，2012，19（4）：17-21.
[4]菊春燕，贾永刚，潘玉英，等.基于分形理论的旅游景区地质灾害危险性评估——以青岛崂山为例[J].自然灾害学报，2013，22（6）：85-95.
[5]邱海军，曹明明，刘 闻，等.区域滑坡空间分布的变维分形特征研究[J].2014，28（2）：443-448.
[6]李珊珊，李军杰，杨 龙，等.基于分形理论的滑坡空间分布特征研究[J].灾害学，2014，29（1）：214-220.
[7]国家高速公路网G5613云南保山至泸水高速公路S1—S4标段工程地质勘察报告[R].昆明：云南省交通规划设计研究院，2017.
作者：蓝宇骋 袁荷娟 吴铸 锁沛斯