富水砂-黏復合地層大斷面暗挖隧道施工力學行為

陶連金， 董瑞龍， 張宇， 曹乾坤， 張乃嘉

(北京工業大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室， 北京 100124)

受地質條件、施工條件等諸多因素的影響，僅采用數值模擬、理論解析等方法獲得的隧道支護結構受力狀態很難反映實際狀況，更無法為復雜地質條件下的隧道設計和施工提供充分的依據。但隨著現場實時監測設備與技術的快速發展與廣泛應用，現場監測成為分析和評價支護結構合理性與安全性的一種重要手段[1-5]。特別是在圍巖條件較差的特殊地段，綜合現場實測數據分析隧道初期支護力學性能對隧道設計與施工具有重要意義，因此很多學者對不同地質條件下的隧道施工進行了現場監測研究并取得了一些成果。

郭亞斌等[6]依托中老鐵路某隧道工程，對泥質頁巖偏壓段的圍巖變形、圍巖壓力和鋼拱架應力進行了現場監測，結果表明:圍巖壓力和鋼拱架應力均呈現“上大下小”“左大右小”的分布特點；偏壓明顯，左側拱腰處變形最大，偏于危險。王治才等[7]以某長大埋深軟巖大變形隧道為研究對象，對典型斷面的初支受力與變形、接觸壓力和二襯受力進行了監測，提出了軟巖大變形隧道可結合完整支護體系對不同結構分別設計，從而選擇合適的支護方案，使支護體系與支護結構性能利用率達到最優。田敏哲[8]對武十高鐵李家院超大跨度公路隧道開展了現場監測，結果表明:拱頂沉降值與收斂值均遠小于限值，且隧道的圍巖變形在1個月后基本穩定；隧道存在明顯偏壓，左側所受荷載大于右側，鋼拱架左側發生了局部屈服。王志杰等[9]以浩吉鐵路陽城隧道為工程背景，對土砂互層隧道的大變形控制技術進行研究，結果表明，支護結構的材料性能未被充分利用。梁慶國等[10]通過對近20多年來39座隧道的71個監測斷面圍巖壓力進行統計分析，提出了圍巖壓力值分布范圍為15～600 kPa；圍巖壓力沿洞周呈拱肩→拱腰→拱頂→拱腳→仰拱逐漸減小的分布規律；圍巖壓力隨埋深增大而增大，埋深越大，圍巖壓力分布越離散。

通過對已有的研究分析可以看出，不同的地質條件下的監測結果規律不盡相同，且針對富水砂-黏復合地層下的相關監測案例十分少見。現依托北京地鐵17號線某新建隧道區間工程，對其地表沉降變形、圍巖壓力、初支鋼筋應力和孔隙水壓力等現場實測數據進行分析，以期對富水砂-黏復合地層隧道的施工、設計提供經驗與指導。

1 依托工程介紹

1.1 工程概況

北京地鐵17號線位于北京市東部地區，是一條貫穿中心城區南北方向的軌道交通干線。線路南起通州區環渤海總部基地——亦莊新城站前區，北至昌平區未來科技城，全長49.7 km，全部為地下線。全線設車站20座，其中換乘站10座，平均站間距2.57 km。

新建區間隧道位于北京市朝陽區，全長165 3 m，隧道拱頂埋深約為19.2 m，底板埋深約28.8 m。區間北端部分采用暗挖法施工(左線渡線及停車線大斷面388 m、右線標準斷面322 m)，其余區間段采用盾構法施工。新建隧道區間兩側基本為建成區，道路狹窄，建筑密集，管線分布較多。監測斷面處右線一側為多棟居民樓，左線一側為處于停工狀態的已開挖建筑基坑，區間平面位置示意圖如圖1所示。

圖1 區間平面示意圖

1.2 工程地質及水文條件

新建區間隧道上覆土主要為雜填土、黏質粉土、粉質黏土、細中砂、中砂、黏土。礦山法區間主要穿越粉質黏土⑥層和黏土⑦5層。暗挖區間段整體位于地下水位以下，影響暗挖區間施工的主要為層間潛水(三)及層間潛水-承壓水(四)。層間潛水(三)主要分布于區間隧道頂部的黏質粉土⑥2、中砂⑤1中。層間潛水-承壓水(四)主要分布于區間結構底板處中砂⑦1層和黏質粉土⑦3層中，由于隔水層起伏，層間地下水局部地段具有微承壓性。監測斷面處工程地質情況如圖2所示。

圖2 監測斷面處地質橫剖面圖

1.3 施工方案

新建隧道為渡線及停車大斷面，其中QB斷面、QD斷面采用雙側壁導坑法施工，QA斷面采用交叉中隔壁(cross center diaphragm，CRD)法施工。新建隧道QA斷面施工前右線標準斷面初支與QB斷面、QD斷面二次襯砌均施工完成。新建隧道結構支護設計參數見表1，CRD法開挖斷面與幾何尺寸如圖3所示，導洞現場施工情況如圖4所示。

表1 暗挖區間隧道結構支護參數表

圖3 隧道CRD法開挖斷面與幾何尺寸示意圖

圖4 CRD工法現場施工情況

2 現場監測

在收集現場施工方及第三方變形監測數據的基礎上，于隧道QA斷面段安裝了土壓力、鋼筋應力和孔隙水壓力傳感器。根據現場監測條件，地表沉降測點分別布置于隧道中心線及導洞中心線的地表投影點，當結構的位置發生變化時，測點也隨之進行相應調整。變形監測測點沿隧道縱向每隔10 m布設一次，具體布設剖面圖如圖5所示，其中DB-35-1～DB-35-4為現場地表沉降測點編號，QA為隧道斷面名稱。傳感器測點布置示意圖如圖6所示，監測設備及其現場布置情況如圖7所示。

圖5 施工監控量測剖面圖

圖6 傳感器測點布置示意圖

圖7 監測設備及其現場安裝情況

3 監測結果分析

為了更直觀地反映各導洞施工對監測數據的影響，將現場施工日志進行整理統計，得到了現場監測的關鍵時間節點、各導洞的累計開挖進尺情況和4個導洞掌子面間的相互位置關系，如表2與圖8所示。表2中各導洞通過監測斷面時間即該導洞內傳感器安裝與數據采集的初始時間。

表2 現場監測的關鍵時間節點

圖8 QA斷面區間礦山法暗挖施工進度

由圖8可以看出，施工初期導洞的施工順序為導洞1→導洞2→導洞3→導洞4，各導洞掌子面間距約20 m。2020年年底，由于現場施工條件的限制，將現場施工方案進行了調整，在保持各導洞掌子面間距基本不變的基礎上，將導洞施工順序調整為導洞1→導洞3→導洞2→導洞4。

3.1 沉降變形分析

根據現場監測斷面處測點的采樣情況，選取了地表測點DB-35-2、DB-35-3與洞內測點GC-QA1-5、SL-QA1-5共4個點進行地表沉降、拱頂沉降與導洞初支收斂分析。

地表沉降隨開挖施工的變化規律如圖9所示。可以看出：在左線大斷面施工前，地表測點DB-35-2、DB-35-3已產生約10 mm沉降量，這是由于在左線新建隧道施工前，右線標準段已施工完成；后續地表沉降主要產生于導洞1、導洞3施工階段，兩施工階段地表的沉降變形速率快, 對總變形量的貢獻大，占比70%以上。其中12月導洞施工階段，新建隧道兩側5 m范圍內同期進行深度為36 m，直徑為600 mm的降水井施工作業。 12月下旬降水井開始投入使用，降水井的施工與使用對地表沉降也會產生一定的影響。導洞4開挖階段是在已部分封閉的初期支護體系下進行的，與其余導洞開挖時的地表沉降相比，此階段對地表變形幾乎無影響； 由于該工點為富水砂-黏復合地層，地質條件復雜，同時為保證暗挖施工的無水條件，采用洞內降水與管井降水的方式，在各種因素的綜合作用下，使得最終穩定的地表沉降值較大，約為77 mm。

圖9 地表沉降隨開挖施工的變化規律

拱頂沉降與導洞收斂隨開挖施工的變化規律如圖10與圖11所示。可以看出：拱頂沉降變形趨勢與導洞收斂變形趨勢基本一致，根據變形速率均可大致分為4個階段：較快下降階段、快速下降階段、緩慢下降階段及逐漸穩定階段；在導洞二通過監測斷面前，沉降與收斂變形較快，但與后續階段相比，變形略緩。主要原因是在導洞1初支封閉前即測點布置前，部分土體變形已釋放。導洞2通過監測斷面到導洞4通過監測斷面前，該階段沉降與收斂變形速率最快，對總變形量貢獻最大，約占總變形量的60%。導洞4通過監測斷面后，沉降與收斂變形速率均緩慢下降并最終穩定，但相對而言，導洞4施工對拱頂沉降變形影響更大，而導洞收斂變形在導洞4通過前就已趨于平緩；拱頂最大沉降量為17.8 mm，最大沉降變形速率及沉降量均符合設計要求；導洞收斂最大值為9.5 mm，最大收斂變形速率及位移控制值均符合設計要求。

圖10 拱頂沉降隨開挖施工的變化規律

圖11 導洞收斂隨開挖施工的變化規律

3.2 孔隙水壓力分析

孔隙水壓力計埋設于導洞2底板處，即含層間潛水-承壓水(四)的中砂⑦1層。圖12為孔隙水壓力的變化曲線，可以看出：埋設初期孔隙水壓力為負值，即該處地下水位低于傳感器埋置深度，其主要原因是該階段采用洞內真空降水的工法，將開挖工作面附近水位降低到底板傳感器以下；隨著施工持續進行，后方真空降水管循環向前埋設，當開挖面通過監測斷面一定距離后，監測斷面處水壓逐漸恢復且趨于穩定，穩定的孔隙水壓力值約5 kPa,與地勘水頭高度0～1 m一致；由于現場后期改變降水方案，采用了地面管井降水，將水位降低到底板1 m以下，導致孔隙水壓力計失效。

圖12 拱底孔隙水壓力變化曲線

3.3 圍巖壓力分析

3.3.1 圍巖壓力隨開挖施工的變化規律

新建隧道圍巖壓力隨開挖施工的變化規律如圖13所示。圖13中各測點數據均從傳感器布設完成即開始記錄，持續監測6個月，直至各數據基本穩定停止。可以看出：傳感器布設初期，個別測點數據存在反復波動的現象。這主要是因為各導洞均采用上下臺階的施工工法，在開挖布置傳感器后，仍會受到自身導洞開挖及支護施工的多次擾動影響；整體來看，不同位置圍巖壓力的增長模式不同。大部分測點圍巖壓力隨施工的進行呈現單調遞增的變化規律，且在傳感器布設初期存在“快速增長”階段；極個別測點圍巖壓力值在施工過程中達到峰值，后急劇減小，逐漸趨于穩定。其中左側拱肩圍巖壓力變化最為劇烈，導洞1上臺階開挖支護后，上臺階格柵鋼架支撐點即左拱肩處圍巖壓力急劇增大，下臺階開挖后，該處上臺階鋼拱架支撐點處于短期脫空狀態，使得該處的圍巖壓力迅速減小，但導洞1初期支護封閉后，隨著圍巖應力的釋放，該測點數值又不斷增大，后續導洞2的開挖也會對其產生同樣的影響。因此在施工過程中要嚴格遵守“短進尺”“早封閉”的方針以減小該類突變；導洞1、導洞2內圍巖壓力受施工過程影響較大，呈現較多波動。導洞3、導洞4內圍巖壓力均呈現單調增加后趨于穩定的趨勢，變化相對單一。

圖13 圍巖壓力隨開挖施工的變化規律

3.3.2 圍巖壓力空間分布規律

新建隧道圍巖壓力沿洞周的空間分布規律如圖14所示，可以看出：新建隧道圍巖壓力左右兩側分布形式基本一致，但受右側已施工標準線的影響，左側數值略大于右側；圍巖壓力沿洞周呈拱底→拱腰→拱腳→拱頂→拱肩逐漸減小的分布規律。拱底圍巖壓力最大，達到了102 kPa，拱腰次之，兩側分別為83 kPa和61 kPa，圍巖壓力沿洞周分布不均勻，不同測點相差較大；設計覆土荷載根據埋深按照全土柱土壓力或太沙基卸載拱確定，實測結果與計算結果對比可知，實測拱頂圍巖壓力遠小于兩種方法下的計算覆土荷載。

圖14 隧道圍巖壓力沿洞周分布圖

3.4 鋼筋應力分析

3.4.1 鋼筋應力隨開挖施工的變化規律

由于現場環境潮濕，個別測點傳感器在監測過程中已損壞，從而未能監測到數據穩定，損壞傳感器在圖15中已標出。新建隧道初期支護鋼筋應力(以壓為正，以拉為負)隨開挖施工的變化規律如圖15所示，可以看出：導洞1、導洞3內鋼筋應力受施工過程影響較大，呈現較多波動。其中以導洞1內臨時仰拱變化最為劇烈，其主要原因為導洞1內深孔注漿過程中,注漿設備及材料均堆載于監測斷面處。因此在設計與現場施工過程中，要適當注意導洞1與導洞2掌子面間距，確保注漿堆載斷面下方導洞2范圍內保留一定長度的未開挖土體，對臨時仰拱起到一定的支撐作用，從而保證了施工過程的安全性；導洞2、導洞4內鋼筋應力變化相對單一，均呈現先單調增加后趨于穩定的變化趨勢。

圖15 初期支護鋼筋應力隨開挖施工的變化規律

3.4.2 鋼筋應力空間分布規律

新建隧道鋼筋應力沿洞周的空間分布規律如圖16所示，可以看出：對比分析圍巖壓力與鋼筋應力的分布圖可知，兩者的分布形式基本一致(除拱底位置，由于拱底富水，無法安裝鋼筋應力計)；下層導洞鋼筋應力穩定值即為其峰值，上層導洞峰值均出現于施工過程中，穩定后其應力值均有不同程度的減小；格柵鋼架應力穩定后的最大值出現于左拱腰處，達到了191 MPa，施工過程中其最大值為205 MPa，二者均遠遠小于其屈服強度標準值400 MPa。

圖16 初期支護鋼筋應力分布圖

4 結論

為研究富水砂-黏復合地層下大斷面暗挖隧道的施工力學行為，依托北京地鐵17號線某CRD法暗挖隧道工程，對施工過程中的地表沉降、拱頂沉降、導洞收斂、圍巖壓力、初支內力和孔隙水壓力進行了現場監測，通過對實測數據進行分析，得到以下結論。

(1)在該類富水復合地層中，受降水與暗挖施工的雙重影響，地表易產生較大沉降變形。拱頂沉降與導洞收斂的變形速率與變形量雖符合設計要求，但最終結果接近限值，富余量較小。綜合來看，該地層環境下變形指標受施工擾動影響比較顯著，在施工過程中應該加強監測，特別在嚴格控制地表沉降的區域，需加強控制措施，確保沉降變形滿足要求。

(2)采用洞內真空降水工法，可以保證開挖工作面附近的無水狀態，但隨著施工過程中后方真空降水管循環向前埋設，監測斷面處的水壓會逐漸恢復，穩定后的孔隙水壓力值約為5 kPa；現場后期改用地面管井降水的工法，降水效果顯著，孔隙水壓力計失效。

(3)圍巖壓力隨施工的進行基本呈現單調遞增的變化規律，極個別測點如左側拱肩處變化劇烈。左側拱肩處受上下臺階及下層導洞2施工影響，圍巖壓力呈現急劇增大→迅速減小→緩慢增大→迅速減小→趨于穩定的變化規律。

(4)圍巖壓力左右兩側分布形式基本一致，但受右側已施工標準線的影響，左側數值略大于右側。沿洞周呈拱底→拱腰→拱腳→拱頂→拱肩逐漸減小的分布規律，其中拱底最大為102 kPa，左右拱腰次之，分別為83 kPa和61 kPa。實測值遠遠小于按照全土柱土壓力或太沙基卸載拱確定的設計覆土荷載值。

(5)導洞1、導洞3內的鋼筋應力受施工過程影響較大，呈現較多波動，圍巖壓力的波動卻主要出現在導洞1、導洞2內。其中導洞1內臨時仰拱鋼筋應力變化最為劇烈，主要是受注漿設備及材料堆載等施工荷載的影響。因此在設計與現場施工過程中，要考慮該因素對導洞1與導洞2掌子面間距的影響，保證施工過程的安全性。

(6)穩定后鋼筋應力的分布形式與圍巖壓力基本一致(除拱底位置，無鋼筋應力計)。格柵鋼架穩定后應力最大值出現于左拱腰處，達到了191 MPa，但遠遠小于其屈服強度標準值400 MPa。