上軟下硬地層隧道變形規(guī)律及預(yù)留變形量研究

田國鋒、黃引、余龍光、楊強(qiáng)、付抗

（中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100053）

1 預(yù)留變形量組成

隧道開挖后圍巖的總變形量

μ

，包括掌子面未到達(dá)監(jiān)測斷面前，斷面發(fā)生的變形（超前變形，也稱先行位移）

μ

，掌子面通過監(jiān)測斷面后量測工作開始前的變形（初始變形）

μ

和量測工作開始后的變形（量測變形）

μ

。全變形為隧道在有支護(hù)條件下的最大變形量，如圖1 所示。

圖1 預(yù)留變形量組成

通常情況下，二次襯砌在隧道使用過程中起安全儲備作用，基本不受圍巖壓力影響，因此預(yù)留變形量可表示如公式（1）：

式（1）中：

μ

為初始變形量；

μ

為量測變形。

2 變形規(guī)律及預(yù)留變形量研究

2.1 工程概況

區(qū)間隧道為單洞單線馬蹄形淺埋小跨隧道，隧道拱頂距道路路面約16.6～25.6m，右線長743.042m，左線長738.428m，左右線隧道中心線間距為16.6m。隧道結(jié)構(gòu)共有A1 型、A2 型、B 型、C 型、D 型五種斷面形式，其中C 型斷面寬7.5m，高7.2m，斷面左線長度為414.58m、右線長度為534.15m，C 型斷面區(qū)間總長為948.73m。C 型斷面范圍內(nèi)的隧道拱頂覆巖較薄，局部范圍拱頂區(qū)域位于回填土層中，圍巖基本分級為Ⅴ級，圍巖設(shè)計等級為Ⅵ級，成洞條件極差，隧道無支護(hù)時，易發(fā)生拱頂坍塌甚至冒頂，路基沉降控制難度極大，巖土物理力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

表2 巖土物理力學(xué)參數(shù)

巖土類型回填土拱頂覆巖彈性模量/MPa 200泊松比摩擦角/°0.45容重（kN/m3）21黏聚力/kPa 20 29.5 27 1500 0.32 25.6 200

由于區(qū)間上軟下硬地層主要集中在C 型斷面內(nèi)，因此主要圍繞C 型斷面研究變形規(guī)律及預(yù)留變形量，研究選取“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”“全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”兩種工況展開。

2.2 數(shù)值模擬

運用FLAC3D 軟件模擬“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”“全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”兩種工況下預(yù)埋襯砌隧道開挖過程，分析進(jìn)洞5m、16m、25m 處（即入口、中部、出口三個斷面）的拱頂沉降對開挖步變化的響應(yīng)。

2.2.1 “巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況

圖2 展示了“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況下不同斷面位置的拱頂沉降量及變化速率隨開挖步變化的規(guī)律。根據(jù)圖2 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)隧道開挖掌子面（開挖長度）位于選測斷面位置時，拱頂沉降量突變，并在掌子面超過斷面一定范圍內(nèi)繼續(xù)變形，后收斂。具體表現(xiàn)為：進(jìn)洞5m 處（入口斷面）拱頂測點在掌子面位于入口斷面附近時變化速率最大，之后沉降變化速率迅速減緩，至掌子面位于入口斷面前方15m處收斂；進(jìn)洞16m 處（中部斷面）拱頂沉降在掌子面開挖至12m（即掌子面位于中部斷面后方4m）時開始出現(xiàn)較明顯變化，直至掌子面位于中部斷面16m 處完全收斂；進(jìn)洞25m 處（出口斷面）拱頂沉降與中部斷面沉降變化基本一致，當(dāng)掌子面位于監(jiān)測斷面前后方4m范圍時變化最明顯。

圖2 “巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況下不同斷面位置的拱頂沉降量

2.2.2 “全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”工況

圖3 展示了“全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”工況下不同斷面位置的拱頂沉降量及變化速率隨掌子面變化的規(guī)律，其變化規(guī)律與“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況下基本相似。兩者都表現(xiàn)為：當(dāng)掌子面位于監(jiān)測斷面后方4m 至前方16m 范圍時，監(jiān)測斷面拱頂沉降有較大變化。但不難發(fā)現(xiàn)，“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況下不同監(jiān)測斷面的沉降值均大于相同條件下“全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”工況下的沉降值，兩種工況下入口斷面處13.7mm 和9.01mm 的最大（收斂）沉降量云圖（見圖4）也說明了這個問題。

圖3 “全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”工況下不同斷面位置的拱頂沉降量

圖4 兩種工況下入口斷面處最大（收斂）沉降量云圖

2.3 室內(nèi)模型試驗

結(jié)合工程實際及數(shù)值模擬分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于“全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”工況，“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況更為不利，為節(jié)約試驗成本，僅對“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況進(jìn)行室內(nèi)模型試驗。室內(nèi)模型試驗的目的主要在于探究隧道開挖時的變形規(guī)律，通過相似材料配比試驗確定各試驗材料參數(shù)，根據(jù)1∶25 的幾何相似關(guān)系，確定隧道模型毛洞內(nèi)徑為0.3m，邊界情況為2.50m×1.25m×2.15m（長×寬×高），然后進(jìn)行相似材料的澆筑以及安裝應(yīng)變片、土壓力盒、單點位移計等儀器設(shè)備，儀器設(shè)備安裝在入口、中部和出口斷面處（與2.2節(jié)數(shù)值模擬相對應(yīng)），并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集設(shè)備的連接及調(diào)試。現(xiàn)場實際施工中采用兩臺階預(yù)留核心土開挖方式，開挖進(jìn)尺為0.5m，根據(jù)相似比理論，模型試驗的開挖進(jìn)尺僅為2cm，難以操作，因此結(jié)合試驗現(xiàn)場情況，將開挖方式簡化為兩臺階開挖（見圖5）。

圖5 開挖縱斷面圖

圖6 展示了開挖過程中入口、中部兩個斷面（出口斷面拱頂應(yīng)變片失效，未監(jiān)測到數(shù)據(jù)）拱頂沉降值隨開挖步的變化。從入口斷面拱頂沉降變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著開挖試驗的進(jìn)行，入口斷面首先出現(xiàn)拱頂沉降，并在下臺階1 開挖完成時（即剛開挖通過入口斷面）出現(xiàn)一次突變值，該值約占整體變形的40%～50%，與實際施工中隧道的變形規(guī)律一致。在上臺階2 到下臺階3 的開挖過程中，入口斷面拱頂沉降持續(xù)減小，而下臺階3 至下臺階5 范圍內(nèi)入口斷面拱頂沉降變化不大，當(dāng)隧道開挖進(jìn)行到下臺階3 時（即掌子面距入口斷面62.4cm），根據(jù)相似比理論，說明前方開挖對已開挖隧道斷面拱頂沉降的影響范圍約為16m。

圖6 不同開挖步時拱頂沉降值

通過中部斷面拱頂沉降變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，開挖試驗剛進(jìn)行時，中部斷面拱頂沉降變形很小，在上臺階2 至下臺階5 的開挖過程中（下臺階5 距中部斷面62.4cm），中部斷面拱頂沉降持續(xù)減小，同樣說明前方開挖16m 范圍對已開挖隧道斷面拱頂沉降有顯著影響。但是由于此時模型隧道已完全貫通，無法判定后續(xù)開挖是否會對中部斷面沉降有較大影響。

2.4 現(xiàn)場量測變形量分析

在現(xiàn)場量測中，左右線共計約948m，按照每10m布置一個量測點的原則，剔除失效和被遮擋的量測點，共計獲得90 個有效拱頂沉降量測數(shù)據(jù)（見圖7）。根據(jù)圖中的量測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，拱頂沉降值小于20mm 約占總體的88%，小于30mm 約占總體的97%，其中沉降數(shù)值大于20mm 的區(qū)域范圍基本處于“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”地層。同時，實際施工過程中，累計沉降值大部分集中在10～20mm，與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，但也存在部分異常值，最大值達(dá)到35mm，最小值僅3.42mm 左右，這是由于施工現(xiàn)場地質(zhì)構(gòu)造相對復(fù)雜，與數(shù)值模擬中的完全均值假定不同，某一小段圍巖存在裂隙或滲水等不良條件，導(dǎo)致該段沉降遠(yuǎn)大于其他位置，符合一般規(guī)律。

圖7 隧道拱頂沉降量保證率關(guān)系圖

另外，在實際施工過程中，由于隧道洞身開挖完成后，要先進(jìn)行初期支護(hù)，再進(jìn)行測點布設(shè)，此時掌子面量測工作尚未開始，但已發(fā)生初始變形。根據(jù)室內(nèi)模型試驗現(xiàn)象——隨著模型開挖試驗的開挖，選測斷面出現(xiàn)一次突變值，占整體變形的40%～50%左右，可認(rèn)為初始變形占整體變形的40%～50%，選取50% 進(jìn)行分析，根據(jù)預(yù)留變形量表示公式，此時初始變形量與量測變形量一致。

因此，在保證高保證率以及高經(jīng)濟(jì)性的情況下，60mm 為“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況下上軟下硬地層預(yù)留變形量合理建議值，40mm 為“全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”工況下上軟下硬地層預(yù)留變形量合理建議值。40～60mm 為預(yù)留變形量的合理取值區(qū)間。

3 結(jié)論

通過數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗及統(tǒng)計分析等方法，分析上軟下硬地層淺埋地鐵隧道變形規(guī)律及預(yù)留變形量，得出以下結(jié)論：

第一，當(dāng)掌子面位于監(jiān)測斷面后方4m 至前方16m范圍時，監(jiān)測斷面拱頂沉降有較大變化。

第一，“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況下，不同監(jiān)測斷面的沉降值均大于相同條件下“全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”工況下的沉降值。

第三，在保證高保證率以及高經(jīng)濟(jì)性的情況下，60mm 為“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況下上軟下硬地層預(yù)留變形量合理建議值，40mm 為“全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”工況下上軟下硬地層預(yù)留變形量合理建議值。