淺埋暗挖黃土隧道地層及圍巖力學特性變化規律

井洪濤

(陜西省鐵路集團有限公司， 西安 710199)

隨著“西部大開發”戰略和“一帶一路”倡議的不斷向前推進，西北地區一大批基礎設施建設極大地推動了以黃土深埋高地應力巖體為主的巖土理論和施工技術的快速發展。西北黃土高原地層土質疏松、垂直節理發育、強度低、變形大[1]。在黃土地區開挖淺埋隧道時，由于地質軟弱、結構埋深淺、圍巖自穩性差、承載力小和變形大等問題，導致施工難度大、風險高、工程處理措施費用高[2]。如果選用的施工方法或后期支護方式不當，都極有可能引發隧道坍塌或出現地表過大沉降，對周邊建(構)筑物造成影響。針對這些問題，專家學者進行了大量研究，也取得了豐富的研究成果。

何歷超等[3]研究了黃土隧道開挖過程中土體和支護結構之間的壓力關系。劉志強等[4]結合寶蘭鐵路大斷面高含水率隧道施工，對不同埋深及不同含水率下的開挖進尺、步序、核心土長度等工況進行了研究。嚴松宏等[5]在考慮應力和滲流場的基礎上，對淺埋大斷面區間隧道進行研究，獲得了孔隙水壓力、圍巖及支護應力、地表及洞壁位移的分布特征。李健等[6]以鄭西專線閿鄉隧道為依托，對淺埋大跨黃土隧道長大管棚的受力機制進行了研究。樊純壇等[7]通過現場實測與室內模型試驗，對黃土隧道仰拱的力學特性進行研究，發現仰拱部分圍巖壓力呈兩頭大、中間小的分布規律。魏綱等[8]根據彈性地基梁原理，在考慮建筑物剛度的基礎上，計算了淺埋暗挖隧道施工中沉降反力引起的變形。金星亮等[9]結合現場監測結果，對淺埋扁平超大斷面隧道各施工階段圍巖的穩定性進行了研究，發現扁平超大斷面隧道拱頂受力面積大,受力部位下移,拱腳處應力集中。康佐等[10]結合西安地鐵二號線，對黃土淺埋暗挖地鐵隧道的地表、地層縱橫向變形進行了系統研究。

近些年來，西部山區發展基礎設施時，受到地形地貌和施工條件限制，經常在依山傍水段布設線路，不可避免地遇到黃土地層淺埋隧道施工等技術難題，此外城市地鐵隧道大多也為淺埋隧道[11]。因此，對動態施工時淺埋黃土隧道支護結構應力變化和圍巖變形問題進行深入研究有很重要的科研價值和實踐意義。現以新建蒙華鐵路運煤通道青化砭隧道為依托，分析黃土地區淺埋大跨度隧道開挖時，支護結構變形、地表沉降及圍巖應力的變化規律，為今后黃土地區淺埋暗挖大跨度隧道的設計和施工積累經驗。

1 工程概況

青化砭隧道位于陜西省延安市,是新建蒙西至華中地區鐵路煤運通道的重要組成部分，地處陜北黃土高原梁峁區，沖溝發育，地質復雜，黃土、軟巖并存，主要巖性為砂黏質新老黃土、粉質黏土。研究的青化砭2#隧道為單洞雙線隧道，全長4 396.72 m，洞徑12.88 m，以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主，且包含多處淺埋地段，埋深0～48.2 m，采用交叉中隔壁法施工，將選取3個典型斷面進行圍巖受力和地層變形分析。

根據研究需求，在施工區段內設置3個綜合監測斷面，分析施工擾動下，隧道的地層響應和圍巖變形規律。地層變位現場測試內容如下。

(1)地表和地中下沉。每個斷面布置13個地表測點，間距2～5 m。采用3個分層沉降孔觀測地中下沉，磁環間距0.5 m。在隧道中軸線左右兩側7 m處，以間距0.5 m布置隧道橫斷面方向水平位移測斜孔，具體布置位置如圖1所示。

圖1 地表沉降橫向測點布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of transverse survey point arrangement of surface subsidence

(2)緊跟工作面推進，實時監測隧道拱頂沉降和水平收斂變形,測點布置位置如圖2所示。

圖2 位移測點布置Fig.2 Layout of displacement measurement points

(3)圍巖和初支接觸應力測試，測點布置情況如圖3所示。

圖3 圍巖應力測點布置Fig.3 Layout of stress measuring point of surrounding rock

2 現場監測數據分析

2.1 地層變位規律分析

為了研究淺埋暗挖黃土隧道施工誘發的地表和地中沉降，在3個綜合監測斷面內布置深度方向沉降孔和水平方向測斜孔，分析隧道開挖引起的地表、地中和拱頂下沉規律。

2.1.1 隧道縱軸方向地表下沉特征

從圖4可以看出，1#～3#監測斷面中測點沉降與工作面推進距離之間的關系曲線基本一致。當測點滯后工作面-9～0 m時，由于隧道初期支護結構施作完成，工作面開挖對其軸向地表沉降影響較小，沉降均小于10 mm。此外按照測點沉降與工作面距離間的關系，其可分為兩段。在0～9 m范圍內，軸向測點沉降隨距工作面距離的增大幾乎成線性增加，沉降接近允許值30 mm。在12～17 m范圍內，測點沉降增大趨勢減緩，在17 m處沉降值最大約為35 mm。因此在實際開挖過程中，采用超前小導管和管棚支護技術對隧道周圍地層進行加固，控制軸向地表沉降在允許范圍之內。

圖4 測點沉降隨工作面推進距離變化曲線Fig.4 Variation curve of settlement of measuring point with advancing distance of working face

2.1.2 隧道橫斷面方向地表沉降

分析實測數據可知，3個監測斷面中橫向地表沉降規律基本一致。現以2#監測斷面為例，如圖5所示繪制橫斷面方向不同測點的地表沉降曲線，研究隧道開挖各工序對其的影響。

圖5 隧道開挖各階段橫向地表沉降曲線Fig.5 Transverse surface subsidence curve at each stage of tunnel excavation

從圖5可知，隨著施工工序進行和開挖面增大，隧道橫斷面方向地表沉降量和沉降范圍逐漸增大，臺階法施工時各工序中地表沉降曲線均呈“單峰”狀態，在中軸線處地表沉降最大，兩側隨距增大沉降快速減小。

當左上導洞完成時，橫斷面內僅中軸線處地表沉降最大。當左下導洞完成時，整個橫斷面內地表沉降量進一步增大，且由于左側導洞率先開挖，中軸線左側地表沉降大于右側同距離處測點沉降。 當右上導洞完成時，各測點沉降再次增大，中軸線處地表沉降最大為24.88 mm，且其增幅大于前兩道工序。當右下導洞完成時，拱頂兩側-6～6 m范圍內沉降增大至25.5～31.83 mm，接近或大于地表沉降允許值30 mm，需采取鋼桁架支護，盡快施做初期支護，阻止地表產生過大變形。

2.1.3 隧道拱頂下沉

在2#監測斷面隧道拱頂和中軸線地表處設置豎向沉降觀測點，在開挖過程中實時監測隧道拱頂和地表沉降變形，如圖6所示繪制拱頂和地表沉降曲線。可以看出，隨著工作面推進，拱頂和地表下沉逐漸增大，當測點超前工作面13 m時，拱頂和地表沉降逐漸趨于穩定，地表和拱頂最大沉降分別為29.6、28.8 mm，接近沉降允許值，其原因是掌子面開挖，擾動周圍地層，使得超前工作面0～15 m范圍內的地層下沉。當測點滯后工作面時，拱頂和地表沉降隨滯后距離的增大而緩慢減小，其原因是初期支護施做后圍巖穩定性提高，變形大幅減小。當測點距工作面-3～5 m時，由于掌子面開挖后的短時間內地層側壓力和水土壓力的減小，使得拱頂位移快速增大，拱頂正上方的地表沉降也同步增大。此外，拱頂沉降始終大于地表沉降，其主要是隧道施工形成沉降槽的過程中，擾動上覆土體，導致某些土層發生膨脹、壓縮，甚至離層等原因引起的。

圖6 地表和拱頂下沉曲線Fig.6 Subsidence curve of surface and arch roof

2.1.4 水平位移變化

2.1.4.1 縱軸線方向水平位移

在2#斷面兩側設置兩個垂直沉降孔，如圖7所示，提取數據繪制開挖過程中不同埋深處縱軸線方向水平位移變化曲線，其正負值分別代表位移向隧道內側和背離隧道方向。

圖7 縱向水平位移曲線Fig.7 Longitudinal horizontal displacement curve

從圖7可以看出，各工況下距離地表-2 m處的土體水平位移最大，地層埋深越大，水平位移越小。在開挖影響范圍內，地層受到擠壓，應力釋放，0～8 m深度內水平位移較大，8～12 m深度內隨測點與開挖面水平距離增大，工作面開挖的擾動減小，縱向水平位移減小。與超前8 m相比，當超前15 m時，隧道縱向水平位移迅速減小，因此軸線方向水平位移的超前影響距離為0～15 m。此外還可看出，當測點滯后開挖面0.5 m時，在開挖卸壓作用下地層呈擠壓趨勢，土體向隧道內側移動，縱向水平位移改變方向，向隧道已開挖方向移動，但在初期支護作用下，滯后區水平位移小于超前區。當測斜管滯后4 m時，地層水平位移略有增大，在地表處水平位移最大為20.1 mm，其均小于允許值。

2.1.4.2 橫截面方向水平位移

同樣在2#斷面內，提取超前工作面8、15 m和滯后工作面4、11.5 m 4種工況下水平測斜孔數據，如圖8所示，繪制深度范圍內各工況橫向水平位移變化曲線，同樣正負值分別代表位移向隧道內側和背離隧道方向。

從圖8可以看出，在開挖面擾動下，當超前距離為8 m時，隧道兩側橫向水平位移較大，距地表-2 m處的橫向水平位移最大，約為30 mm。當超前距離從8 m增大到10 m時，橫向水平位移變化大幅減小，因此可判定隧道橫向水平位移的超前影響距離為8 m，在該區域內，地層向背離隧道的方向移動。其原因是掌子面施工導致周圍地層應力釋放，當觀測斷面接近或滯后工作面時，在開挖卸壓的影響下，橫向水平位移逐漸轉向隧道內測。隨著滯后距離逐漸增大，水平位移先快速增加，后逐漸穩定并達到最大，與地表和拱頂變形規律一致。

圖8 橫向水平位移曲線Fig.8 Lateral horizontal displacement curve

2.2 圍巖力學特性分析

2.2.1 圍巖徑向接觸應力

在2#監測斷面的拱頂、左右拱腰、左右仰拱和仰拱底等位置埋設土壓力盒，研究開挖過程中隧道圍巖壓力的變化規律，進而評價所采用支護結構的可靠性，圖9所示為各測點圍巖與初期支護接觸壓力時程曲線。

由圖9可知，各工序中，隧道初期支護結構的接觸壓力均存在先快速增大、再緩慢增大、最后趨于穩定的變化過程。在拱頂處圍巖與初期支護的接觸壓力最大，為0.39 MPa。開挖邊墻時，拱頂壓力增大，兩拱肩壓力略有減小。初支完成后整個斷面支護剛度增大，27 d后圍巖變形和拱部壓力趨于穩定。此外，除了拱頂外，采用交叉中隔墻法施工時，由于隧道圍巖應力釋放，左側導洞完成后左拱肩、左拱腳作用在初期支護結構的圍巖接觸壓力基本形成，而在右側導洞施工時其壓力增長較小，總體小于20%。24 d初支完成后，各測點處接觸壓力重新調整，左右拱肩和拱腰處壓力趨于穩定，而仰拱處壓力緩慢增大，最后趨于穩定。

圖9 圍巖與支護接觸壓力時程曲線Fig.9 Contact pressure time curve between surrounding rock and support

2.2.2 圍巖變形

在隧道開挖過程中，變形監測實時跟進，對3#斷面持續監測一個月，得到隧道拱頂沉降變形和水平收斂變形隨時間的變化曲線如圖10所示。

由圖10可知: 隧道拱頂沉降變形和水平收斂變形曲線可分為均勻變形階段和穩定階段。在隧道開挖初期，由于地層受到較大擾動，圍巖變形線性增大，均勻變形階段拱頂下沉速率和水平收斂變形速率分別為0.82、0.42 mm/d。18 d后，隧道拱頂沉降變形和水平收斂變形進入穩定階段。采用噴射混凝土、鋼拱架和格柵鋼架支護結構后，拱頂沉降和水平收斂變形終值分別為11.93、5.98 mm，圍巖變形較小，均在允許變形范圍之內。在淺埋黃土隧道施工中。

圖10 拱頂沉降和圍巖收斂變形曲線Fig.10 Settlement of arch roof and convergence deformation curve of surrounding rock

隧道拱頂沉降變形速率和水平收斂變形速率隨時間的變化曲線如圖11所示。可以發現，開挖初期隧道拱頂沉降變形速率和水平收斂速率較大，隨開挖工序和初期支護交替施工，變形速率的大小發生波動，圍巖變形量隨時間的增長累計增大，15 d后變形速率大幅減小，圍巖變形增長曲線逐漸平緩，并趨于定值不再變化，表明該種組合支護結構的支護效果較好，在相似工程的設計和施工中可以借鑒。

圖11 拱頂下沉速率和圍巖收斂速率變化曲線Fig.11 Variation curve of subsidence rate of arch roof and convergence rate of surrounding rock

3 結論

(1)隧道工作面開挖引起的拱頂沉降變形和水平收斂變形可分為均勻變形階段和穩定階段。均勻變形階段拱頂下沉速率和水平收斂變形速率分別為0.82、0.42 mm/d，15 d后變形速率大幅減小，18 d后隧道拱頂沉降變形和水平收斂變形進入穩定階段。

(2)開挖時由于部分地層出現松弛區，在0～6 m深度范圍內，豎向沉降隨埋深的增大而增大，當埋深大于10 m時，地層沉降隨深度增大迅速減小。

(3)地表處隧道軸向水平位移最大，且隨埋深的增大而減小，軸線方向水平位移的超前影響距離約為15 m，橫截面方向水平位移的超前影響距離約為8 m。當觀測斷面滯后和超前開挖面時，由于土體開挖卸壓，地層受到擠壓，隧道周圍土體的縱向和橫向水平位移分別向隧道內側和背離隧道方向發展。

(4)噴射混凝土、鋼拱架和格柵鋼架形成的組合支護結構，支護效果較好，可大幅減小拱頂沉降和水平收斂變形,在相似工程的設計和施工中可以借鑒。