城市軌道交通暗挖隧道地表沉降及支護優化研究

劉德亮

（中鐵十四局集團第三工程有限公司，山東 濟南 250000）

近年來，隨著現代科學技術的突飛猛進，全世界面臨因人口劇增而產生的交通問題也得到了很大程度的緩解。其中，城市軌道交通建設技術發揮了巨大的作用?？墒牵@一技術也會存在著一些問題，比如在開挖城市地下通道時無法穩定地表的地形，當土體變形發展到一定程度時會使一切以地基為基礎的建筑設施發生倒塌等嚴重危害人身財產安全和社會良好發展的問題，因此在地鐵隧道施工中要特別注意控制地表沉降和變形，做好防護措施，保證工程質量，保證隧道周邊既有建筑的安全。

1 工程概況

某隧道全長790m，隧道洞口附近有鄉村道路通過，交通較便利。主要穿越石英片巖、大理巖等底層該隧道采用動態設計、信息化施工，該地鐵隧道通過利用鉆孔、裝藥、爆破開挖巖石等方法進行，其中的Ⅴ級圍巖段利用六部CD 法，即每次循環就進尺2m。初期的支撐防護使用C25 噴射混凝土，厚度為28cm；I20a 鋼架，縱向間距為100cm；Ф6mm 鋼筋網，間距為20cm×20cm；系統錨桿，長為4m，間距為120cm×120cm，梅花形布置。參數如表1 所示。

表1 隧道支護參數表

2 地鐵隧道施工地表沉降影響因素

2.1 地質條件的影響

地鐵隧道部分上方可以出現自然拱形結構的泥土厚度與所在地方的泥土特性有很大的關系。自然拱的出現不但可以有效支撐保護地鐵隧道的開挖，而且也與地面地形是否發生變化息息相關。自然拱如果能夠及時出現就可以有效減少地面地形的變化，自然拱如果不能及時出現就會加劇地面地形的變化。而且，所在地方的泥土特性也會隨著自然拱的出現發生相應的變化，這些性質的變化也會對地面地形的變化產生一定作用。

2.2 支護結構形式和剛度

地鐵隧道的支撐防護工作有三個部分，它具體包括超前初期的支撐防護、初期的支撐防護以及二次的襯砌。前兩次的支撐防護要做到具有良好硬度和穩定性這兩方面。因為，根據整個工程的設想規劃，前兩次的支撐防護工作需要承載很大的重量，負重很大。所以，前兩次的支撐防護需要具有以上兩方面的性質。最后的防護即二次襯砌是應急所用，其核心就是在緊急情況下可以和超前初期的支撐防護和初期的支撐防護一起負重，避免出現重大事故。

2.3 次開挖進尺

本質上就是沒有支撐防護的地鐵隧道是否可以保持正常的狀態與隧道上面的泥土厚度毫無聯系，它只和地鐵隧道的大小以及通過隧道可以推斷的次開挖進尺有一定的關系。次開挖進尺很大程度上影響著地鐵隧道的穩定性以及地面地形的變化程度。尤其是當地鐵隧道周邊的泥土性質較差時，次開挖進尺的各項確定工作顯得尤為重要。

3 現場測試與數據分析

1） 測試方案，地鐵隧道的實時監測是為了可以在施工過程中實時看到地鐵隧道的穩定數據和支撐防護所承載的重量；2） 測試結果分析，經過計算研究這三方面的實時數值，發現該地鐵隧道長時間處于較大的負重情況。錨桿軸力平均值、鋼架應力平均值、噴射混凝土應力平均值的具體數值如表2 所示。

表2 某隧道Ⅴ級圍巖試驗段監測項目均值統計

我們從表2 可以發現，噴射混凝土應力平均值全都較低，這說明它沒有發揮全部的承重作用。我們可以利用剛度等效的公式進行計算，可以得出鋼架可以承受的極限重量只有混凝土承受極限重量的18%左右。根據表2 的相關數據，提出兩個建議：第一，去掉錨桿部分，它原本承載的重量由鋼架和噴射混凝土相互分擔；第二，去掉鋼架部分，它原本承載的重量由錨桿和噴射混凝土共同分擔。這兩個建議互有優劣，但是錨桿相對于鋼架，不僅更加經濟實惠而且操作方便容易上手。

4 錨噴支護的數值分析

4.1 錨噴支護隧道安全儲備評價

運用相關的計算公式對地鐵隧道周邊的泥土穩定性和初期的支撐防護的穩定性進行同比例的折合運算，最后得出在不同的折減系數時拱頂位移的程度，并通過圖像（即圖1）進行更加具體形象的展示。通過圖1 具體形象的展示，我們可以看出拱頂位移在折減系數為3.24 時，拱頂發生了劇烈的變化。所以錨桿和噴射混凝土一體支撐防護隧道的轉折點在3.24，即錨噴支護隧道的方法安全可靠。

圖1 拱頂位移與折減系數曲線

4.2 錨噴支護作用

通過對處在轉折狀態時的地鐵隧道圍巖進行研究，圖2呈現了其圍巖狀態。圖3 展示的是隧道圍巖剪應變增量和4m 錨桿布置的位置。從圖2 中可以看出強度折減系數為3.24 時，其圍巖狀態是X 形，大部分在左右兩側，頂部沒有很明顯的變化。通過圖3 分析得出4m 的錨桿是能夠發揮它承載重量的作用的。而且最重要的是，圖3 中隧道頂部的剪應變增量變化不大，所以，錨桿還能夠在各方明進行改良。

圖2 隧道圍巖塑性區

圖3 隧道圍巖剪應變增量和錨桿布置

圖4 隧道錨噴支護應力云圖

圖5 隧道錨噴支護位移云圖

圖4 展示的是進行改良加工后的錨桿和噴射混凝土一體的支撐防護的應力，圖5 即為隧道應用錨桿和噴射混凝土一體后的位移云圖。通過圖像可以得出它們極限的承受力是6MPa，和進行實時監測中所承擔的重量差不多，這說明它們還可以承受更多的重力。通過圖5 得知，地鐵隧道頂部移動2.7mm 時，仍然在安全區域內。

5 結語

根據對此隧道Ⅴ級圍巖的初期支撐防護數據的實時監測，并將數據研究和科學方法有效結合，對初期的支撐防護工作提出了有效建議，得到以下結論：1） 進行實時監測的隧道初期承擔的重量與極限承重相差較大，具有明顯的提升空間；2） 進行改良加工后的初期支撐防護工作的轉折點在3.24，圍巖塑性區和剪應變增量證實了錨桿和噴射混凝土一體支撐防護的效果，應力與地鐵隧道的頂部位移變化也說明了錨桿和噴射混凝土一體化的承受重量非常理想。這兩方面也說明了改良加工建議的正確；3） 對比沒有采取任何支撐防護的地鐵隧道，采取了初期的支撐防護工作之后，地鐵隧道明顯不會發生太多的變化。