富水黏土層淺埋隧道圍巖變形規律研究

■ 中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司 鄧黎

1.工程概況

某暗挖隧道區間為雙洞單線結構，最小埋深約為10.5m，設計采用礦山法施工，支護結構為復合式襯砌結構：以錨桿、鋼筋網、噴射混凝土為初期支護，并輔以注漿小導管作為超前支護和型鋼鋼架加強支護，以模筑鋼筋混凝土為二次襯砌。初期支護與二次襯砌間設環向閉合型防水隔離層。

根據現場地質勘測，隧道左線ZDK15+ 728～ ZDK15+758段通過富水軟弱黏土地層，上覆土層較薄，土體埋深約為11m；表層土層主要為雜填土或可塑黏土，土質松軟，自穩性極差，遇水膨脹，失水后易造成超固結，引起較大沉降；施工支護段掌子面拱頂為可塑至軟塑狀黏土，在有滲漏水的情況下圍巖穩定性極差，拱部無支護時，可產生較大的坍塌；底板基巖溶蝕風化嚴重，巖體受裂隙切割成塊狀，發育溶洞，承載力低，需進行地基處理；且隧區地下水位較高，補給豐富，富水性較強，圍巖穩定性差。

隧道力學理論認為，淺埋暗挖隧道上覆地層已無自承載能力，荷載應全部由隧道結構來承擔。但實踐表明，不僅土層，即使是干砂地層仍能形成自然載拱。對于富水黏土層，由于埋深淺，周圍地層土體松散軟弱、粘結性強，隧道開挖擾動后，引起隧道周邊土體松弛變形，圍巖變形收縮明顯，極易出現潛在坍滑區，時常發生支護體系大變形等工程問題，難以控制，如圖1所示。

圖1 現場支護結構大變形

為有效地預防與減少施工引發的地層沉降變形，降低對周圍環境的損害程度，亟須對此類軟弱圍巖的相關特性展開研究。本文在長期現場工作的基礎上，利用振弦式應力應變采集設備結合常規監測項目，為設計及施工提供技術參數，且為以后類似工程的建設積累實踐經驗。

2.監測方案

2.1 現場監測內容

為及時掌握富水黏土地層隧道開挖地層變形趨勢和支護結構圍巖受力狀態、多方面評價支護措施的合理性、確保施工過程的安全穩定，根據隧道結構特點擬定監測的內容和方法，其中包括地表沉降、拱頂下沉、凈空收斂、圍巖壓力、鋼拱架支撐應變等方面，對隧道施工中的關鍵部分進行跟蹤監測[1]。

2.2 監測規劃布置

圖2 隧道初期支護監測斷面傳感器布置圖

為確保地鐵隧道施工的安全穩定，擬在左線隧道（ZDK15+728～ZDK15+758）30 m處選擇多個監測斷面預埋測試元件進行現場試驗，其中，每個斷面布置一個地表沉降監測點，洞內設置1個拱頂下沉點和2條水平測線，其余圍巖接觸應力、型鋼拱架應變測試元件埋設于拱頂、拱肩、拱腳、仰拱4個關鍵位置，測試斷面監測點現場布設如圖2所示。測試元件采用振弦式傳感器，其構造簡單、受外界影響小、易于防潮，便于遠距離多點同時長期觀測，在隧道及地下工程現場測試和監測中得到廣泛應用[2]-[3]。

3.監測結果分析

3.1 隧道地層沉降變形特征

由于選取試驗段地質條件和埋深基本相同，變形規律一致，選取斷面ZDK15+738進行具體分析，斷面地表及拱頂沉降歷時曲線詳見圖3，沉降速率變化曲線如圖4。

在該監測斷面，由于開挖引起的地層損失、失水固結、應力釋放和地層加固相互協調作用，在隧道支護和圍巖共同變形的作用下，拱頂下沉和地表沉降都較大，地層總體變形大。拱頂沉降累計沉降量到達-45.39mm，因監測點布設于拱架安裝完成并噴射混凝土之后，此時初期支護已經發生一定變形，因此實際拱頂沉降大于-45.39mm，有必要對初期支護進行加固控制。如圖3、圖4所示，每一次施工工序轉換銜接拱頂沉降均發生一次急劇下沉跳躍分別，為開挖后第1天、第4天、第8～9天，此時間段施工工序分別為：上臺階開挖、下臺階左、右側開挖及支護，尤其是上臺階完成后，拱頂下沉有一個驟然下降，約-4.83mm/d，下臺階及仰拱施工則沒有那么明顯，收斂速率也到達-3.77mm/d。這是由于上臺階施工完成，拱架拱腳基底軟弱、承載力不夠，因此發生較大量值沉降，隨著工序逐步完成，拱架閉合成環，這種擾動影響逐漸降低，經過大約28 天，拱頂累計沉降值基本趨于穩定。

圖3 ZDK15+738斷面地表及拱頂沉降歷時曲線

圖4 ZDK15+738斷面地表及拱頂沉降速率變化曲線

3.2 支護結構受力分析

傳感器埋設完畢后，根據相應計算公式將傳感器測試頻率轉換為圍巖應力與拱架應變，然后按照圍巖受力及型鋼混凝土內力計算原理，計算獲得圍巖接觸應力與鋼拱架內、外環應力時態變化曲線，如圖5～圖7所示（圖中負值表示受拉，正值表示受壓）。

通過整理斷面ZDK15+738測試元件數據顯示，數據基本穩定，未出現異常離散性，說明傳感器采集數值穩定可靠。隧道開挖后圍巖壓力與型鋼拱架內外環應力整體呈現開始增速較快，后期變化相對較小直至趨于穩定的相同變化特點，這是由于初支混凝土強度逐漸形成，斷面東西側下導及仰拱分部順序施工，斷面逐步閉合使圍巖變形受到約束，支護結構逐漸形成整體，抵抗變形能力得到加強，閉合成環之后受擾動圍巖強度的逐漸恢復，圍巖“拱效應”得到充分發揮，壓力逐漸穩定的結果。不同的是，鋼拱架應變在開始期間變化較明顯，很快達到穩定狀態，這是由于在架立拱架初始，混凝土強度尚未完全形成，拱架與初支混凝土襯砌之間要達到變形協調內部需要一個互相調整的過程，在混凝土未完全發揮作用之前，圍巖壓力主要由型鋼拱架承擔，因此初期支護結構架立之后短時間內拱架應力值變化明顯，很快達到高值，同時也說明了鋼拱架對于提高隧道支護結構前期穩定性具有重要意義。從整個支護體系受力來看，型鋼拱架所受應力較大，架立初期承受了圍巖較大的荷載，對提高初期支護的整體強度起到了很好的支護效果。

圖5 圍巖接觸應力變化圖

圖6 鋼拱架內環應力變化圖

圖7 鋼拱架外環應力隨時間變化圖

4.支護結構內力計算

隧道支護體系作為整體結構，如果僅以受力狀態絕對值作為評價處于復雜應力條件下襯砌結構穩定性是不夠完善的，因此，有必要將襯砌結構所受的軸力及彎矩換算成安全系數，同時結合隧道地層的變形特征綜合評價襯砌的支護效果。安全系數的計算方法結合《鐵路隧道設計規范TB10003-2005》，為了方便分析問題，依然選取斷面ZDK15+738截面進行受力分析。截面內力計算模型如圖8所示。

根據鋼拱架內外緣各點穩定后應變，計算截面軸力和彎矩，大致繪制出軸力和彎矩圖，如圖9～圖10所示。

根據支護結構內力計算結果可知，斷面初期支護主要承受軸向壓力，所受彎矩相對較小，因此，只需對截面各位置軸力進行強度校核，驗算結構承載是否滿足要求。結合《型鋼混凝土組合結構技術規程》（JGJ138-2001）[4]中初期支護截面型鋼混凝土構件偏心受壓計算公式，對正截面承載力進行強度校核，驗算結構承載力是否滿足要求，并計算截面各位置軸力的安全系數，對隧道初期支護穩定性作出評價。經過驗算，對斷面幾處關鍵截面校核情況匯總（表1）。斷面各最不利截面支護結構安全系數均大于現行地鐵隧道設計規范中襯砌結構安全系數2.0，符合規范要求，說明此處富水黏土層斷面初期支護強度是安全穩定的，同時為了加強支護剛度，可通過增加混凝土厚度等措施來提高結構的穩定性。

圖8 截面內力計算模型

圖9 截面軸力示意圖

圖10 截面彎矩示意圖

表1 斷面ZDK16+995初期支護安全系數

5.結論

礦山法是地鐵隧道施工中傳統且較為常見的方法，礦山法施工中最為不利的巖層是較軟或含水量大的地層。本文基于礦山法隧道穿越富水黏土地層時引發大變形為工程背景，結合現場位移及支護體系內力監測數據，對隧道開挖誘發地層和支護體系變形規律展開研究，得出以下結論：

（1）富水軟弱地層隧道變形是多因素綜合作用的產物，由于開挖引起的地層損失、失水固結、應力釋放和地層加固相互協調作用，在隧道支護和圍巖共同變形的作用下，拱頂下沉和地表沉降都較大、地層總體變形大。

（2）從位移監測數據分析，每一次施工工序轉換銜接拱頂沉降均發生一次急劇下沉跳躍,尤其是上臺階完成后，隨著工序逐步完成，拱架閉合成環，這種擾動影響逐漸降低，經過大約28 天，拱頂累計沉降值基本趨于穩定。

（3）從支護結構整體受力狀態來看，實測斷面圍巖壓力總體較大。型鋼拱架在架立初期應力值增速較快，對于提高隧道支護結構前期穩定性發揮了重要作用，待噴射混凝土達到設計強度后，混凝土繼續承擔支撐作用，二者協調作用，作為二襯施作之前的主要承載結構效果顯著。

（4）從斷面測點穩定后截面內力分布分析，斷面整體受壓，最大壓力和最大彎矩均出現在右側拱肩位置，經計算此處初期支護安全系數較小，為2.18，可通過增加混凝土厚度等措施加強對此處位置的風險管控。