淺埋黃土隧道初期支護侵限段的結構安全分析與應對措施

王君順

(蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅蘭州　730000)

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淺埋黃土隧道初期支護侵限段的結構安全分析與應對措施

王君順

(蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅蘭州730000)

摘要:新建大頭峴黃土隧道出口淺埋段地表為耕地，間歇性澆水和地表降水導致圍巖土體抗剪強度降低，加之施工工序的不緊湊等原因引起初期支護下沉變形并侵入二次襯砌。本文應用有限元軟件MIDAS/GTS對初期支護侵限段結構安全性進行了分析。依據分析結果，建議根據初期支護下沉侵限程度分別采取措施:對初期支護侵限≤5 cm且變形基本穩定段不做處理;對初期支護侵限≤10 cm且變形基本穩定段通過增強配筋進行處理;對初期支護侵限＞10 cm的段落宜進行換拱處理。這樣可減小大面積換拱帶來的安全風險，并節約投資。

關鍵詞:隧道初支侵限結構安全處理措施

我國黃土地層分布廣泛，隨著國家基礎建設力度的加大，黃土地區修建的隧道及其他地下工程不斷增多。淺埋黃土隧道受其特殊的地質條件及施工不規范等因素影響，致使隧道施工時極易出現拱頂下沉、邊墻下塌、噴射混凝土剝落，支護鋼拱架扭曲變形，鎖腳錨管扭曲，造成初期支護(簡稱初支)結構變形，侵入二次襯砌(簡稱二襯)結構。以往常規的處理方法是對侵限部位換拱，但對于淺埋黃土隧道而言，進行大面積的換拱安全風險大，易產生塌方。本文依托實際工程，對淺埋黃土鐵路隧道施工中初期支護侵限問題進行研究，以期為類似工程的侵限處治進行指導。

1　工程概況

大頭峴隧道位于甘肅省黃土梁峁丘陵區及沙溝高階地，隧區內地形起伏較大，溝壑縱橫，山體黃土覆蓋。該隧道為中川至馬家坪線重點控制工程，埋深為0～80 m，該隧道出口段( 170 m)下穿一耕地(為水澆地)，地形平坦，埋深12 m。襯砌結構形式如圖1。

根據區域地質和綜合勘察資料，隧道出口淺埋段地層巖性為砂質黃土，成分以粉粒為主，手搓砂感強，土質均勻，純凈，可見孔隙，局部可見少量白色鈣質菌絲，稍濕～潮濕，疏松～稍密。圍巖自穩能力及成洞條件差，易坍塌，圍巖級別為Ⅴ級。

圖1襯砌結構形式(單位: cm)

2初支下沉及地表開裂情況

2. 1初支下沉情況

隧道施工出口淺埋段時，隧道拱部及邊墻部位發生不同程度的下沉，最大下沉發生在拱部(拱頂下沉侵限15 cm)，兩側邊墻呈對稱狀發生下沉變形，侵入二次襯砌的限界(圖2)，造成拱部及邊墻部位噴射混凝土開裂，剝落掉塊，局部鋼拱架扭曲變形。

2. 2地表開裂情況

隧道內圍巖與初支發生嚴重變形后，洞頂地表隧道中線兩側各出現1條與隧道中心線平行的縱向裂縫，最大裂縫寬度達15 cm。隨著掌子面的開挖掘進，掌子面前方已有可見裂縫產生，且不斷向前延伸發展，兩條縱向裂縫間伴隨著一些橫向裂縫。由于拱頂的下沉，掌子面停工期間，在掌子面前方地表出現1條橫向裂縫，與縱向裂縫連通，形成懷抱式橫向裂縫。

圖2侵限部位(單位: cm)

3初支侵限原因及結構安全分析

3. 1初支侵限原因

首先，淺埋黃土隧道開挖過程也是地層內應力重新分布的過程，開挖前土體處于天然應力平衡狀態，開挖時隧道周邊圍巖失去原有支撐，除向洞內產生徑向位移外，也會在開挖面產生較大的縱向位移。這種徑向和縱向位移的共同作用改變了原有土體的應力平衡。應力的重新調整，使得掌子面周圍一定范圍內土體產生位移，引起圍巖變形，致使初支下沉、地表沉降［1］。

其次，隧道出口淺埋段為耕地，其結構疏松～稍密，壓縮性偏高，由于間歇性澆地及地表降水，在地表形成不同程度的徑流，雨水滲入黃土孔隙中，軟化土體，誘發圍巖破壞。雨水滲入對隧道圍巖穩定性的影響主要體現在兩個方面:①結構。雨水滲入導致土體含水率增加，含水率的增加使得土粒間黏聚力下降，土體的抗剪強度降低，削弱了圍巖的有效應力，極大地影響圍巖的成拱能力。②荷載。雨水滲透集聚使得圍巖重度增加，隧道結構所承受的圍巖壓力增大，使隧道支護結構失穩乃至初支變形侵限、局部坍塌。

再次，現場施工時施工單位只注重了開挖、支護進度，沒有完全遵照新奧法中“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”的施工原則，工序不緊湊，仰拱沒有及時封閉成環，造成初支沉降［2-5］。

3. 2初支侵限結構安全分析

隧道淺埋段地表為常年水澆地，土質疏松，對初支侵限段落均按換拱處理的話，一方面不能保證節點工期且增加成本，另一方面大面積換拱存在隧道塌方的潛在風險。

1)計算參數及方法

計算所涉及的材料主要為巖土、支護結構。圍巖級別為Ⅴ級，其物理力學指標及襯砌混凝土參數參照《鐵路隧道設計規范》( TB 10003—2005)取值，見表1、表2。

表1圍巖物理力學指標

表2襯砌混凝土參數

通過對已施工完的初支侵限段落的分類統計，二次襯砌厚度分別取45 cm(工況1)、40 cm(工況2)、35 cm(工況3)進行結構計算。利用有限元理論，襯砌結構計算以局部變形理論為基礎，采用荷載—結構模型，應用破損階段法，對構件截面強度及裂縫寬度進行驗算。計算中采用梁單元模擬襯砌，用布置于各節點上的彈性連桿單元來模擬圍巖與襯砌的相互約束，彈性連桿只承受壓力，彈性連桿受壓時的反力即為圍巖對襯砌的反力。

2)安全性評價

參照《黃土隧道工程》［6］中“按豎向、水平圍巖壓力合力比算法，淺埋黃土隧道二次襯砌荷載分擔比例在51%～53%之間，平均荷載分擔比例約為50%”。本計算考慮淺埋，土柱厚度較厚，計算時隧道二次襯砌承擔荷載取上層土柱豎向力的80%，計算結果用于襯砌配筋，對結構而言相對保守，實施后有利于結構安全。

利用有限元理論，襯砌結構按梁單元劃分有限元網格，由于計算地面基本水平，襯砌結構受力具有對稱性，其隧道襯砌結構內力計算結果見表3。

表3襯砌結構內力

根據規范，二次襯砌是承載主體，要求不允許出現較大的變形與開裂，二次襯砌配筋時要求最小安全系數＞2，最大裂縫寬度＜0. 2 mm。本文各工況計算結果見表4。

表4計算結果匯總

從表3、表4可以看出，襯砌結構拱頂受力最不利，且工況3安全系數不滿足規范要求;采用荷載—結構法計算，在邊界條件不變的前提下，襯砌結構受力變化甚小;在同樣襯砌材料和配筋的情況下，襯砌結構同一部位的安全系數隨著襯砌厚度的變小而減小，這一趨勢主要體現在最大跨以上部位，最大跨以下部位影響較小;裂縫寬度隨著襯砌厚度的變小而增大，主要體現在襯砌結構受力最不利的拱頂部位。

4　侵限段落工程處理措施

通過對襯砌結構的計算分析，以及對已施工完初支侵限段落的分類統計，分別采取以下工程措施:

1)初支侵限≤5 cm，即二襯厚度≥40 cm，變形收斂已基本穩定段，不做任何處理。

2)初支侵限≤10 cm，即二襯厚度≥35 cm，變形收斂已基本穩定段，通過增強配筋進行處理。經計算，當拱墻范圍內主筋采用φ22鋼筋，間距為125 mm時，襯砌結構安全系數及裂縫寬度均滿足規范要求。

3)初支侵限＞10 cm，二襯厚度＜35 cm的段落宜進行換拱處理。具體方法如下。

①侵限換拱處理應遵循“加固先導、先撐后破、重在開口、嚴禁爆破”的原則［7-9］。

②對局部變形收斂未基本穩定的地段徑向注漿，確保拆除安全和換拱后初支變形在可控范圍之內。徑向注漿采用φ42鋼花管，長3. 5 m，間距1. 2 m× 1. 2 m，壓注水灰比為0. 5∶1的水泥漿。

③鑿除侵限段初支鋼拱架時，對鋼拱架兩端節點各增加4根鎖腳錨管對其錨固，鎖腳錨管長4. 0 m，錨管內壓注水灰比為0. 5∶1的水泥漿，注漿壓力為0. 8～1. 5 MPa，鎖腳錨管采用L形鋼筋與鋼架滿焊。

④對于侵限的初支部分，首先在侵限鋼架左右兩側25 cm處各設一榀I18型鋼鋼架套拱，鋼架立在強度滿足要求的仰拱上，確保套拱不下沉或滑動，鋼架與初支表面空隙處用木楔或其他物品楔緊，以保證各備用鋼架完全受力。

⑤在侵限鋼架周圍鑿孔打散初支結構，再人工采用風鎬進行開鑿，盡量少采用破碎錘進行大面積擾動。將侵限部位初支鑿除到設計位置(保證二襯厚度45 cm)，拆除變形鋼架后，立即嵌入已預制成型的鋼架并用長4. 0 m的鎖腳錨管錨固。鎖腳錨管、連接鋼筋等施作完畢后，立即復噴C25混凝土至設計位置，待初支穩定后，方可拆除備用鋼架。換拱鋼架應自上而下分節施作，同時應特別注意鎖腳錨管、縱向連接鋼筋、墻腳墊塊的施工質量。

⑥換拱采用逐榀更換，待前一榀整環初支完成后，才進行下一榀鋼拱架的拆換工作。

⑦為保證施工安全，拆換鋼架時應自上而下鑿出原初期支護并擴挖至預留變形量不小于10 cm處，初噴4 cm厚C25混凝土，安裝新拱架并及時施作鎖腳錨管和縱向連接鋼筋后復噴C25混凝土至設計厚度。新鋼架材料、規格與原設計保持一致，鎖腳錨管采用長4 m的φ42鋼管，于鋼架分節處每側各設2根，縱向連接鋼筋采用φ22鋼筋，環向間距1 m。

⑧初支侵限段落的地表裂縫和陷穴采用原狀土換填夯實，并在表層施作30 cm厚的二八灰土封層，以免地表水匯集下滲。

5　結語

1)淺埋黃土隧道初期支護下沉侵限的現象，是多種影響因素共同作用的結果。

2)隧道淺埋段原設計的初期支護與二次襯砌均符合規范要求，具有較高的安全儲備。因此，一旦初期支護下沉侵限，不必盲目地進行大面積的換拱，可對侵限段落分類統計歸整，通過襯砌結構受力分析，采取有針對性的工程處理措施。

3)淺埋段大面積換拱存在一定的安全風險。在保證襯砌結構安全系數和裂縫寬度滿足要求的前提下，初期支護下沉侵限≤10 cm，即二次襯砌厚度≥35 cm時，通過加強襯砌配筋，可以對初期支護下沉侵限段不進行換拱處理。

該隧道現已通車運營，采取文中的措施原則和方法既保證了工期，節約了投資，還減小了大面積換拱帶來的安全風險。

參考文獻

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［7］楊維，張劍，侯小紅．馬埡口隧道變形換拱施工方案研究［J］．交通標準化，2010( 20) : 125-128．

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(責任審編葛全紅)

Analysis of lining safety in clearance invaded by primary support section and its countermeasure for shallow buried tunnel in loess stratum

WANG Junshun

( Lanzhou Railway Survey and Design Institute Co．，Ltd．，Lanzhou Gansu 730000，China)

Abstract:T he shallow buried section at the exit of the newly-built Datouxian loess tunnel is covered by cultivated land，therefore rainfall and interim irrigation weaken the shear strength of the soil mass．At the same time，the inconsistent construction procedure and other factors at play contribute to the settlement and deformation of the primary support，which further invades into the secondary lining．In this light，the paper introduces the finite-element software M IDAS/GT S in the reliability analysis of the infringed section．T he results point out that differentiated measures need to be applied in accordance with the settlement and clearance invasion occurred．For 5 cm or less clearance invasion，whose deformation has reached a stable stage，no treatment measure is needed; for 10 cm or less clearance invasion，whose deformation has too reached a stable stage，better reinforcement is suggested; and for more than 10 cm clearance invasion，arch replacement shall be performed．T he differentiated approach reduces the risks in large-scale arch replacement and helps cut investment．

Key words:T unnel; Clearance invaded by primary support; Structural safety; Countermeasure

作者簡介:王君順( 1983—)，男，工程師，碩士。

收稿日期:2015-09-10;修回日期: 2015-11-20

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0069-04

中圖分類號:U455

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．17