淺埋洞口段黃土公路隧道施工變形性狀現場測試研究

邱明明，楊果林，張沛然，段君義

（1.延安大學建筑工程學院，陜西 延安 716000；2.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075）

隨著我國西部交通工程和“一路一帶”建設的深入發展，穿越山嶺地段的黃土隧道大量涌現，而淺埋洞口段是隧道施工的高風險地段[1-4]，往往是隧道工程設計與施工中重點關注的問題。同時，由于黃土性質的特殊性[5]，隧道開挖卸荷作用極易誘發軟弱黃土圍巖產生大變形或位移，引起襯砌侵限、結構開裂、邊坡失穩等工程災害，故明確圍巖位移發展變化規律對控制黃土隧道變形和結構穩定具有重要指導意義。

針對這一問題已有眾多相關現場測試、理論分析和數值模擬研究成果。如陳建勛等[6-7]基于現場實測數據，對黃土公路隧道施工變形規律進行了研究。扈世民等[8]采用現場測試和數值模擬方法對大斷面黃土鐵路隧道施工變形規律進行了對比分析。李志清等[9]結合現場測試和理論分析法對淺埋黃土隧道圍巖變形特性進行了研究。孟德鑫等[10]分析了大斷面黃土鐵路隧道拱頂下沉與周邊收斂變化特征，并給出了相應的變形控制措施。賴金星等[11]對軟弱黃土隧道施工變形規律進行了現場測試研究，并給出了相應的變形控制指標。孔慶祥等[12-13]基于大量的現場實測數據，研究了不同條件下黃土鐵路隧道施工變形規律，并對拱頂下沉與周邊收斂位移量進行了統計分析。周鵬等[14]基于實測數據分析了黃土斜坡下偏壓隧道圍巖變形橫向和縱向分布規律。劉小偉等[15]利用現場實測和數值模擬方法揭示了Q2飽和黃土隧道圍巖收斂變形與應力變化特征。李明等[16]采用數值模擬方法對不同開挖方法條件下富水大斷面黃土隧道流固耦合變形特性進行了對比分析。王道遠等[17]基于模型試驗研究了硬塑-流塑淺埋黃土隧道變形特性，并給出了雙線黃土隧道合理預留變形量建議值。

由于地質條件差異性、復雜性以及施工的不確定性等因素影響，使得淺埋洞口段隧道施工變形規律存在顯著差異，尤其是在黃土隧道研究方面還遠落后于工程實踐。鑒于此，本文以某黃土公路隧道工程為依托，結合淺埋洞口段現場測試數據，研究淺埋洞口段黃土公路隧道施工引起的地表沉降、拱頂下沉和周邊收斂時態分布規律，并進行統計預測分析，研究成果可為黃土地區隧道設計與施工提供參考。

1 依托工程背景

1.1 工程及地質概況

某雙向四車道分離式黃土公路隧道，隧道左線起止樁號ZK86+481～ZK87+642，全長1 161 m，右線起止樁號YK86+575～YK87+618，全長1 043 m。隧道斷面開挖跨度B=12.82 m，高度H=10.32 m，為典型的大斷面濕陷性黃土V級圍巖隧道。隧址區屬黃土丘陵-黃土梁地貌，沖溝發育，溝谷深切，山間植被茂密，根系發育。隧道埋深（h）6.0～78.0 m，上部覆蓋20.0～25.0 m的上更新統Q3al+pl新黃土，為Ⅳ級自重濕陷性黃土，局部夾有黃土狀粉質黏土，其下部為中更新統Q2al+pl粉土，中密—密實狀，土質較均勻（圖1）。

圖1 黃土隧道進出口段地質縱剖面Fig.1 Longitudinal geological section of the entrance and exit zone of the loess tunnel

隧道進出口均在黃土梁沖溝段，兩側為高陡邊坡。其中，左線隧道進口埋深6.0 m，出口埋深6.0 m；右線隧道進口埋深1.5 m，出口埋深5.0 m。隧道進出口段山體表層為薄層粉土，結構松散，為濕陷性黃土狀粉土，天然密度1.40～1.90 g/cm3，含水率8.6%～20.2%，黏聚力10.0～27.0 kPa，內摩擦角20.0°～32.0°，濕陷系數0.016～0.083；洞身段V級圍巖主要為砂質黃土，天然密度1.65～2.10 g/cm3，含水率10.7%～22.7%，黏聚力16.0～57.0 kPa，內摩擦角18.0°～33.0°。隧址區地下水主要為松散巖類孔隙水，埋藏深度約40.0 m以上，主要通過大氣降水和地表水入滲補給。

1.2 洞口段開挖方法

該黃土隧道支護系統采用復合式襯砌結構，隧道開挖半徑為6.42 m。根據圍巖級別并結合現場實際地質情況，淺埋洞口段隧道開挖采用交叉中隔壁（CRD）法（圖2），洞身段采用三臺階七步開挖法進行施工。其中，中隔壁法施工工序為：（a）施作超前支護①；（b）開挖先行導坑上部Ⅰ；（c）施作先行導坑上部初期支護②和臨時支撐③；（d）開挖先行導坑下部Ⅱ；（e）施作先行導坑下部初期支護④和臨時支撐⑤；（f）開挖后行導坑上部Ⅲ；（g）施作后行導坑上部初期支護⑥和臨時支撐⑦；（h）開挖后行導坑下部Ⅳ；（i）施作后行導坑下部初期支護⑧和臨時支撐⑨；（j）開挖仰拱Ⅴ；（k）施作仰拱臨時支撐⑩、初期支護?、混凝土襯砌?；（l）拆除臨時支撐③、⑤、⑦、⑨、⑩；（m）仰拱回填?；（n）整體模筑二次襯砌?。

圖2 交叉中隔壁（CRD）法施工步驟Fig.2 Construction sequence of the CRD method

2 現場監測方案

為掌握淺埋洞口段隧道施工引起的周邊位移變化規律，在土坡地表沿隧道橫斷面間隔5.0 m布設地表沉降監測點，記為DB0～DB6，采用高精度全站儀測量。在隧道拱頂位置布設沉降監測點（測點C），采用精密水準儀量測。周邊收斂測點布設在各斷面跨度最大位置，埋設1條水平收斂測量基線（AB水平測線），采用數顯收斂計量測（圖3）。

圖3 隧道周邊位移監測點布設剖面圖（單位：m）Fig.3 Cross-sectional layout of the displacement monitoring points（unit:m）

3 測試結果分析

3.1 地表沉降分布規律

圖4為不同測試斷面地表沉降-歷時曲線，各測試斷面地表沉降時態曲線分布變化基本一致，地表沉降量隨隧道開挖空間逐步增大呈增長趨勢。隨著支護結構封閉成環地表沉降速率逐漸減緩，約60 d后地表沉降逐漸趨于穩定，地表沉降最大值統計范圍為（?30.78～?105.20）mm。地表沉降時態曲線具有顯著的時間效應和階段效應，其發展變化過程可分為快速增長階段、持續發展階段、穩定變形階段；地表沉降時態曲線與時間具有顯著的非線性關系，其發展過程可采用指數函數描述（式（1）），且擬合函數與現場實測值具有較高的擬合優度，見圖4（f）、表1，故可借助擬合函數對地表沉降時態曲線發展進行預測分析。

式中：a、b、w0——擬合常數。

圖5為不同測試斷面橫向地表沉降曲線，地表沉降曲線沿橫向水平距離呈凹槽形分布，隨隧道開挖時間增長，沉降槽加寬變深；地表沉降沿隧道橫斷面影響范圍為（3～5）B（隧道跨度），拱頂正上方地表沉降量最大；各測試斷面地表沉降曲線分布趨勢基本一致，但也略有差異，主要表現為左右兩側具有一定的非對稱性，見圖5（e），原因是隧道分部開挖過程中的時間效應和空間效應所致。大量的工程實踐表明，橫向地表沉降槽基本符合正態曲線分布，即可采用典型的Peck公式進行預測：

圖4 不同測試斷面地表沉降-歷時曲線分布規律Fig.4 Distribution curves of ground settlement with time of different monitoring sections

表1 隧道開挖引起的地表沉降（測點DB0）與時間的關系Table 1 Fitting equations between ground settlement（point DB0）caused by tunnel excavation and time

式中：w（x）——隧道開挖引起的地表沉降/m；

wmax——地表沉降最大值/m；

x——沿隧道橫斷面水平距離/m；

i——地表沉降槽寬度系數/m；

Vloss——隧道開挖引起單位長度的地層損失量/（m3·m?1）；

η——單位長度的地層體積損失率/%；

A——隧道開挖斷面面積/m2。

各測試斷面最終地表沉降分布曲線擬合結果對比見圖5（f）與表2。由表2可知，地表沉降實測值與預測結果基本吻合，隧道開挖引起的地層損失率可達3.08%，且預測模型可用于地表變形預測分析。

3.2 拱頂下沉分布規律

圖6為不同測試斷面拱頂下沉-歷時曲線，拱頂下沉隨時間增長而增大，在隧道開挖卸荷初期變形量呈線性增長，隨后變形速率逐漸減小，下沉量呈持續增長趨勢，當達到一定時間后下沉量逐漸趨于穩定。以圖6（a）為例，其發展變化過程可分為線性增長、持續變形和平穩發展3個階段。其中，線性增長階段持續時長為6～12 d，此階段變形量為（60%～80%）vmax，主要受隧道開挖卸荷作用影響變形速率較大，故在施工過程中應快速開挖、及時施作支護結構封閉成環，以控制圍巖大變形；持續變形階段因初期支護結構逐步施作而發揮承載作用，圍巖變形速率減緩，此階段歷時為10～15 d，變形量為（20%～40%）vmax；隧道開挖30 d以后拱頂下沉逐漸趨于穩定，即變形進入平穩發展階段，此階段可作為二次襯砌結構的合理施作時機，以避免隧道圍巖變形繼續發展。

拱頂下沉時態曲線符合指數函數型發展規律，各測試斷面拱頂下沉隨時間變化關系擬合結果見表3，其擬合優度均達到0.96以上。拱頂下沉vmax的統計范圍為（?17.1～?201.1）mm，其變形歷時15～45 d，見圖6（e）。由于隧道施工變形受諸多因素影響，其變形量具有一定的隨機性，假設其服從正態分布，可對樣本取95%的置信區間進行統計分析，則可得一定置信水平的變形量置信上下限。根據圖6（e）實測數據統計分析可知，拱頂下沉vmax的95%置信區間為[?51.53，?65.11]。拱頂下沉不超過90.0 mm的斷面集中在埋深h≤3（H+B）的隧道中，當隧道埋深h＞3（H+B）時，拱頂下沉量呈增大趨勢，見圖6（f），主要原因是隨著隧道埋深增大，下部土體含水量較高（15.0%～23.0%），土體穩定性差，隧道所受上覆荷載較大，因此變形較大。

圖5 不同測試斷面橫向地表沉降曲線分布規律Fig.5 Distribution curves of transversal ground settlement of different monitoring sections

表2 橫向地表沉降分布曲線預測結果對比Table 2 Comparison of the predicted results of transversal ground settlement

圖7為不同測試斷面拱頂下沉速率-歷時曲線，隧道開挖初始拱頂下沉速率急劇增加，而后隨時間呈逐漸減緩趨勢，其發展變化過程可分為急劇增長、快速衰減、緩慢衰減和平穩變化4個階段，見圖7（a）。隧道開挖后拱頂下沉速率最大值為（?8.0～?12.0）mm/d，30 d以后拱頂下沉速率基本達到穩定，除少數測點最終位移速率超過?1.00 mm/d以外，其余測點最終位移速率變化范圍均為（?0.05～?0.80）mm/d。由此說明，位移變化速率與圍巖變形發展趨勢密切相關，其大小是判別圍巖穩定性的重要依據之一，且通過及時施作與加強支護措施以降低圍巖位移速率是防止隧道圍巖大變形和失穩破壞的重要途經。

3.3 周邊收斂變形分布規律

圖8為不同測試斷面周邊收斂-歷時曲線，周邊收斂時態曲線分布亦可采用指數函數描述，其變化過程與拱頂下沉具有類似的發展規律；周邊收斂變形量umax的統計范圍為（?12.1～?122.0）mm，其變形歷時為15～45 d，見圖8（e）。根據實測數據統計分析可知，umax的95%置信區間為[?35.08，?43.39]。當隧道埋深h≤3（H+B）時，周邊收斂變形不超過75.0 mm，超過75.0 mm的斷面集中在埋深h＞3（H+B）的隧道中，見圖8（f）。拱頂下沉與周邊收斂變形量對比可知（圖6、圖8），在同一測試斷面拱頂下沉變形均高于周邊收斂變形，因此隧道預留變形量應著重考慮拱頂下沉量的影響，并建議V級黃土圍巖隧道預留變形量取值范圍為（?100～?150）mm。

圖6 不同測試斷面拱頂下沉-歷時曲線分布規律Fig.6 Distribution curves of vault settlement with time of different monitoring sections

表3 隧道開挖引起的拱頂下沉與時間的關系Table 3 Fitting equations between vault settlement caused by tunnel excavation and time

圖9為不同測試斷面周邊收斂速率-歷時曲線。由圖9可得，周邊收斂速率時態曲線呈先增大而后逐漸衰減趨勢，在隧道開挖初始階段周邊收斂速率變化最大，為（?4.0～?6.0）mm/d；30 d以后周邊收斂速率波動變化基本達到穩定，各測點最終位移速率變化范圍均為（?0.02～?0.60）mm/d。對比拱頂下沉速率與周邊收斂速率時態分布曲線（圖7、圖9）可知，前者波動性相對較大，說明隧道拱頂位置的受力變形對時空效應影響更為敏感，即圍巖變形呈現顯著的時間和空間效應。在工程施工過程中，應重視優化隧道開挖工序和科學把握施作支護結構時機，以控制圍巖變形，確保隧道結構穩定。

4 結論

（1）黃土隧道開挖引起的地表沉降隨時間呈指數函數型分布，其發展變化過程可分為快速增長階段、持續發展階段、穩定變形階段；地表沉降最大值的統計變化范圍為（?30.78～?105.20）mm，約60 d后逐漸趨于穩定；地表沉降曲線沿橫向水平距離呈凹槽形分布，可采用典型的Peck公式進行預測，沉降槽寬度為（3～5）B，且隧道開挖引起的地層損失率為0.74%～3.08%。

（2）拱頂下沉與周邊收斂時態曲線均可采用指數函數描述，其發展過程可分為線性增長、持續變形和平穩發展3個階段，其中線性增長階段歷時6～12 d，占變形總量的（60%～80%），持續變形階段歷時10～15 d，占變形量的（20%～40%），30 d以后進入平穩發展階段，且此階段可作為二次襯砌結構的合理施作時機，以防止圍巖變形繼續發展。

（3）拱頂下沉vmax的統計變化范圍為（?17.1～?201.1）mm，其95%置信區間為[?51.53，?65.11]；周邊收斂umax的統計變化范圍為（?12.1～?122.0）mm，其95%置信區間為[?35.08，?43.39]；V級圍巖黃土隧道預留變形量建議取值范圍為（?100～?150）mm。

圖7 不同測試斷面拱頂下沉速率-歷時曲線分布規律Fig.7 Distribution curves of vault settlement rate with time of different monitoring sections

圖8 不同測試斷面周邊收斂-歷時曲線分布規律Fig.8 Distribution curves of peripheral convergence with time of different monitoring sections

（4）拱頂下沉與周邊收斂速率時態曲線呈先急劇增加后逐漸衰減趨勢，其發展過程可分為急劇增長、快速衰減、緩慢衰減和平穩變化4個階段；最終穩定后的拱頂下沉速率（Δv）和周邊收斂速率（Δu）依次為（?0.05～?0.80）mm/d和（?0.02～?0.60）mm/d；位移速率大小可作為判別圍巖穩定性的重要依據之一，且通過及時施作與加強支護措施以降低圍巖位移速率是防止隧道圍巖大變形和失穩破壞的重要途經。

圖9 不同測試斷面周邊收斂速率-歷時曲線分布規律Fig.9 Distribution curves of peripheral convergence rate with time of different monitoring sections