淺埋大斷面黃土隧道圍巖變形時空效應分析

李志清，丁春林，李雙美，舒進

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.中鐵二十五局集團第五工程有限公司，青島266000；3.鐵道部第三勘察設計院集團有限公司，天津300142）

淺埋大斷面黃土隧道圍巖變形時空效應分析

李志清1，丁春林1，李雙美2，舒進3

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.中鐵二十五局集團第五工程有限公司，青島266000；3.鐵道部第三勘察設計院集團有限公司，天津300142）

以大西客運專線某隧道淺埋段為工程背景，針對三七微臺階法施工條件下的圍巖變形特性進行了現場測試分析。實測結果表明：隧道在開挖的過程中其圍巖變形受時間、空間效應的影響，整個時程曲線呈“廠”型，增長歷時約25天；隧道縱向開挖面的影響距離大約為2倍的洞徑；監測斷面距離開挖面1倍的洞徑時，拱頂下沉釋放率均達到了70%以上，仰拱開挖時，拱頂下沉釋放率增加了約30%；二次襯砌的合理施作時間約為隧道開挖后在初期支護施作16～19天后。該結果對深入了解類似隧道圍巖變形規律，確定合適的支護時機很有意義。

大斷面黃土隧道；淺埋；監控量測；圍巖變形；時空效應

某隧道由于其淺埋、斷面大及黃土特殊的工程性質，是大西客運專線的重點控制工程，隧道開挖后易發生大變形和坍塌［1］，圍巖的穩定性控制形勢極為嚴峻。圍巖變形是隧道穩定性判定最直接的依據，而目前對于淺埋大斷面黃土隧道圍巖變形時空效應的研究還遠遠滯后于工程實踐，扈世民等［2］依托蘭渝鐵路大斷面黃土隧道工程，采用三維數值模擬結合現場試驗分析了臺階法施工中圍巖深部變形特征；陳建勛等［3］通過現場測試分析了單洞兩車道分離式黃土隧道的施工變形特性，并對測試結果進行了回歸分析；喬春生等［4］通過土工試驗、現場監測和三維有限元模擬等方法，對飽水黃土隧道的變形規律進行了系統研究，試驗數據可為今后修建類似隧道積累經驗；畢長武等［5］在黃土隧道內開展了長期的變形監測，得到了黃土隧道隨時間變化的三個階段，并對施工和支護過程提出了針對性的建議；初厚永［6］結合鄭西鐵路客運專線高橋大斷面黃土隧道的監控量測工作，詳細介紹了監控量測極其數據的處理；李寧［7］也對鄭西客專黃土隧道圍巖變形進行了分析，得出一些有益的結論；吳永［8］利用Midas/GTS有限元分析軟件研究了黃土隧道開挖支護后的位移場，并與現場監測數據進行了分析對比，積累了寶貴經驗；趙東平等［9］統計分析了大斷面黃土隧道初期支護變形量，研究了大斷面黃土隧道變形規律及預留變形量合理取值范圍。

以上學者主要研究了在預留核心土法、臺階法、蓋挖法、雙側壁導坑法等工法條件下黃土隧道的圍巖變形特性，而對于大斷面淺埋黃土隧道采用三七微臺階法施工中圍巖變形時空效應的研究甚少。因此，研究淺埋大斷面黃土隧道采用三七微臺階法施工中圍巖變形時空效應對于指導同類隧道工程設計和施工具有重要意義。本文針對某隧道地質特性及圍巖變形情況，通過現場實測數據分析了淺埋大斷面黃土隧道采用三七微臺階法施工過程中的圍巖變形時空效應。

1 工程概況

大西客運專線某隧道總長3 083m，隧道開挖面積為161.64m2，全隧埋深為7～49m，隧道處于低山丘陵區，黃土溝壑較發育。隧道洞身主要穿越地層為第四系上更新統坡洪積層（Q3dl+pl）新黃土和中更新統洪積層（Q2pl）老黃土。新黃土為黃褐色，堅硬～硬塑，顆粒均勻，具大孔隙，含薄層細圓礫土和鈣質結核層，夾多層淺棕紅色古土壤層；老黃土為淺棕紅色，堅硬～硬塑，土體緊密，含鈣質結核層和洪積碎石類土和砂土，覆土較薄，綜合評定為V級黃土圍巖［10］。隧道輪廓為五心拱（含仰拱），其現場施工情況如圖1所示。

2 現場實測內容及方法

隧道采用三臺階七步開挖法施工，隧道測試斷面的選擇充分考慮了隧道埋深、節理裂隙發育程度及施工情況等因素，本文選取淺埋段典型斷面實測數據進行分析。隧道變形監控量測包括拱部沉降量測和凈空收斂量測。其中隧道拱頂下沉采用精密水準儀和鋼掛尺量測，洞周水平收斂采用收斂計量測。基點埋設在受施工擾動的范圍以外的結構物上，測點布置如圖2所示。

圖1 隧道現場施工圖Fig.1 Construction of tunnel

圖2 拱頂及洞周測點布置示意圖Fig.2 Monitoring points of vault and periphery

3 現場實測結果及分析

3.1 圍巖變形與時間的變化規律

隧道洞內凈空收斂變形監測斷面數量較多，受篇幅限制，對監測斷面不一一列舉加以分析，在斷面的選擇上，選擇距隧道洞口約180m處較典型的3個監測斷面的拱頂沉降及洞周收斂監測數據對圍巖變形與時間的變化規律進行分析，拱頂沉降—時間曲線如圖3所示，洞周收斂選取DK204+775斷面監測數據進行分析，其洞周收斂—時間曲線如圖4所示。

圖3 拱頂下沉-時間曲線Fig.3 Vault sink-time curve

圖4 DK204+775斷面洞周收斂-時間曲線Fig.4 Periphery convergence-time curve at section DK204+775

由上圖拱頂下沉及洞周收斂—時間曲線圖分析可知：

1）隧道拱頂下沉具有隨著時間推移而逐漸增大的性質，其趨勢為“快速增長——緩慢增長——基本穩定”，整個時程曲線呈“廠”型，整個增長曲線約歷時25天，快速增長階段一般持續5天，因此，這段時間每天監測兩次，緩慢增長階段一般持續6天，即隨著開挖面的向前推進，隧道圍巖變形開始趨于穩定，在此階段之后，隧道圍巖變形基本趨于穩定，增長速率約為0.1mm·d-1，最終達到穩定，這一階段持續時間最長，一般約為8～10天，這是由于仰拱的封閉，圍巖內應力發生微小的變化，直到二次襯砌施作，黃土由于其自身的結構特性，在此階段表現出了緩慢的流變特性；

2）隧道采用三七微臺階法開挖，隧道拱頂最大下沉值控制在30mm左右，其中DK204+765、DK204+ 770，DK204+775拱頂下沉值分別為27.7，34.2，29.7mm，均符合我國隧道施工相關規范值，中臺階及下臺階的開挖導致拱頂下沉發生跳躍性的變化，且仰拱的封閉對于隧道的整體穩定起到了關鍵的作用，即仰拱的封閉使隧道受到了環形的支撐作用，圍巖應力重分布趨于穩定；

3）隧道拱頂下沉值大于洞周收斂值，但其增長趨勢基本一致，上、中、下臺階收斂增長趨勢也一致，經歷快速增長，緩慢增長后趨于穩定，但其整個穩定過程較拱頂下沉慢，持續了約20天。中臺階收斂值最大，為22.5mm，上臺階收斂值次之，為21.1mm，下臺階收斂值最小，為20.5mm，這是由于中臺階處于隧道跨度最大的位置，在隧道開挖之后，原巖應力受到較大的擾動，在隧道開挖跨度最大處，應力較為薄弱，產生了向洞內較大的收斂變形，此處應力釋放較其他位置明顯。

3.2 圍巖變形與開挖面距離的變化規律

隧道開挖過程中，由于開挖面的約束效應，使開挖面附近的圍巖應力不能瞬間全部釋放，導致圍巖位移不能立即全部釋放，因此，開挖面附近的圍巖變形將隨著隧道縱向變化，也是開挖面的“空間效應”［11，12］。淺埋大斷面黃土隧道由于其黃土特殊的工程性質以及采用三七微臺階法開挖，因此，有必要對其開挖面的“空間效應”進行研究，由于隧道拱頂下沉與洞周收斂的變化趨勢一致，本文選擇拱頂下沉作為分析對象，得到拱頂下沉與距開挖面距離之間的關系，進而研究開挖面的“空間效應”（如表1，表2）。

表1 DK204+770斷面拱頂下沉與開挖面距離關系Tab.1 Vault sink-distance at section DK204+770

表2 DK204+775斷面拱頂下沉與開挖面距離關系Tab.2 Vault sink-distance at section DK204+775

由上表拱頂下沉與開挖面距離關系分析可知：

1）拱頂下沉與距開挖面距離之間的發展規律一致，整個增長過程分為3個階段，第一階段：當監測斷面距離開挖面約30m，即監測斷面與開挖面的距離約為2倍的洞徑，增長較快，表現出隧道拱頂下沉釋放率較大；第二階段：當監測斷面距離開挖面大于30m，即監測斷面與開挖面的距離大于2倍的洞徑，增長平緩，隧道拱頂下沉釋放率較小；第三階段：當監測斷面距離開挖面大于45m，即監測斷面與開挖面的距離大于3倍，拱頂下沉已基本停滯發展，說明開挖面形成了有效的拱效應。因此，在淺埋大斷面黃土隧道中，開挖面的影響距離大約為2倍的洞徑，且整個監測的重點應在開挖的初期，在施工開挖中應將初期監測作為重點，及時埋設測點，保證數據的準確性；

2）三七微臺階法開挖的淺埋大斷面黃土隧道，監測斷面距離開挖面1倍的洞徑時，拱頂下沉釋放率均達到了70%以上，斷面DK204+770和DK204+775分別為73.2%和73.4%。仰拱開挖時，拱頂下沉釋放率增加了約30%，其增長率較其他均大，說明，在仰拱開挖之前，圍巖保持了短期的應力重分布，仰拱的開挖對圍巖的擾動較大，應重點加強仰拱開始時的監測及支護，及時封閉仰拱。

3.3 二次襯砌施作時機的確定

根據圍巖拱頂下沉和洞周收斂的穩定時間，圍巖變形穩定時間均值為約為16天，洞周收斂穩定時間約為19天，圍巖拱頂下沉穩定時間較洞周收斂穩定時間早3天左右。根據規范主要變形速率和總位移量比率［13］，結合本文淺埋大斷面黃土隧道圍巖穩定時間，得到二次襯砌合理地施作施加：隧道開挖后在初期支護施作16～19天后（也即拱頂下沉速率≤0.15mm·d-1）即可施作二次襯砌，也即距離開挖面距離約48m。

4 結論

本文結合大戲客專某淺埋黃土隧道采用三七微臺階施工過程，從現場監控量測資料入手，對淺埋大斷面黃土隧道的圍巖變形時空效應進行了一定的分析和研究，得出以下幾點結論。

1）隧道在開挖的過程中其圍巖變形受時間、空間效應的影響。在時間效應上，隧道拱頂下沉和洞周收斂的變化規律基本一致，經歷了“快速增長——緩慢增長——基本穩定”的過程，整個時程曲線呈“廠”型，整個增長曲線約歷時25天。

2）拱頂下沉與距開挖面距離之間的關系曲線增長分為三個階段，第一階段：監測斷面與開挖面的距離約為2倍的洞徑，增長較快；第二階段：監測斷面與開挖面的距離大于2倍的洞徑，增長平緩；第三階段：監測斷面與開挖面的距離大于3倍，拱頂下沉已基本停滯發展，開挖面形成了有效的拱效應。因此，在淺埋大斷面黃土隧道中，開挖面的影響距離大約為2倍的洞徑。

3）三七微臺階法開挖的淺埋大斷面黃土隧道，監測斷面距離開挖面1倍的洞徑時，拱頂下沉釋放率均達到了70%以上，仰拱開挖時，拱頂下沉釋放率增加了約30%，其增長率較其他均大，說明，在仰拱開挖之前，圍巖保持了短期的應力重分布，仰拱的開挖對圍巖的擾動較大，應重點加強仰拱開始時的監測及支護，及時封閉仰拱。

4）二次襯砌的合理施作時間約為隧道開挖后在初期支護施作16～19天后。

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Space-time Effect of Surrounding Rock Deformation in Shallowdepth Large Section Loess Tunnels

Li Zhiqing1,Ding Chunlin1,Li Shuangmei2,Shu Jin3
(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China; 2.The Fifth Construction of Engineering Company,China Railway 25th Bureau Group,Co.,Ltd.,Qingdao 266000,China; 3.The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin300142,China)

Taking shallow section of the Xinzhou tunnel in Datong-Xi'an passenger line as the engineering back?ground,this study uses sitemonitoring tomeasure space-time effect of surrounding rock deformation in threemi?cro bench seven step excavationmethod.Results show:deformation of surrounding rock is affected by space-time under excavation;the time curve is in inverted"L"shape andmay last about 25 days;the impact distance of exca?vation face is about twice of the tunnel diameter longitudinally;when the distance betweenmonitoring sections and excavation face is equal to the tunnel diameter,release rate of the vault crown settlement reachesmore than 70%; when the invert is excavated,release rate of the vault crown settlement increases about 30%;the reasonable time of secondary lining construction is 16-19 days later after initial support construction.It is significant for compre?hending the surrounding rock deformation in details to determine the reasonable support time.

large section loess tunnel;shallow depth;sitemonitoring;deformation of surrounding rock;spacetime effect

U25

A

2014-05-16

李志清（1988—），女，碩士研究生，主要研究方向為巖土工程、隧道與地下工程等方面；丁春林（1967—），男，副教授，研究方向為隧道與地下工程。

1005-0523（2014）04-0006-05