淺埋黃土隧道下穿明長(zhǎng)城段地表沉降控制技術(shù)

熊華濤

(中鐵十六局集團(tuán)鐵運(yùn)工程有限公司，河北 高碑店 074000)

關(guān)于隧道施工引起的地表沉降規(guī)律和控制技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1-4]做了大量研究工作。對(duì)于黃土地區(qū)隧道施工引起的地表沉降對(duì)周邊建筑物的影響，國(guó)內(nèi)學(xué)者張堅(jiān)等[5]通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)地鐵暗挖下穿富水黃土建筑沉降特性及規(guī)律進(jìn)行了深入研究。王海祥[6]通過(guò)工程類(lèi)比和數(shù)值模擬分析手段初步研究了既有鐵路道岔區(qū)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)和控制技術(shù)。

靖邊—神木鐵路橫山隧道為黃土地區(qū)淺埋單線鐵路隧道，DK165+285～DK165+326段下穿明長(zhǎng)城遺址保護(hù)區(qū)，且隧道與明長(zhǎng)城遺址相交于DK165+336。隧道施工必然引起地層移動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致城墻破壞，而相關(guān)工程實(shí)例較少，此次工程缺少相應(yīng)的工程類(lèi)比指導(dǎo)，從而使得隧道施工和既有明長(zhǎng)城的保護(hù)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。本文以橫山隧道為工程背景，為保護(hù)明長(zhǎng)城遺址提出了地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)；通過(guò)數(shù)值模擬研究了不同超前支護(hù)措施對(duì)地表沉降控制效果，確定了隧道采用洞身管棚、超前注漿小導(dǎo)管、兩臺(tái)階臨時(shí)橫撐法+掌子面加固+擴(kuò)大拱腳的施工方法，可為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

橫山單線鐵路隧道位于陜西省橫山縣。隧道進(jìn)口里程DK165+160，出口里程DK165+944。全長(zhǎng)784 m，均為V級(jí)和VI級(jí)圍巖，洞身最大覆蓋層厚度為22 m。隧道于DK165+285～DK165+326段下穿明長(zhǎng)城遺址保護(hù)區(qū)，隧道與明長(zhǎng)城遺址相交于DK165+336，下穿處隧道最小覆蓋層厚度為20.3 m。

圖1 隧道地質(zhì)概況

2 地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于沉降標(biāo)準(zhǔn)的制定，國(guó)內(nèi)外大量的下穿式隧道和地鐵施工一般要求地表最大沉降量不大于30 mm。對(duì)此，學(xué)者姚宣德等[7]認(rèn)為，隧道工程施工在技術(shù)水平和施工能力上，30 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)完全能夠達(dá)到，但實(shí)際情況可能并不如此。學(xué)者李寧等[8]以西安地鐵二號(hào)線下穿古城墻段地表沉降控制為依托，從變形和力學(xué)兩個(gè)角度量化分析了城墻所能承受的極限變形能力，深入研究地鐵隧道下穿古城墻段地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為地表最大沉降量應(yīng)控制在20 mm以內(nèi)。

本次隧道施工以施工完畢后明長(zhǎng)城遺址地表總沉降量小于3 cm為變形控制標(biāo)準(zhǔn)，以變形速率5 mm/d為沉降速率控制標(biāo)準(zhǔn)；根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，建筑物傾斜允許值為2‰，考慮到文物保護(hù)需要，局部?jī)A斜應(yīng)不大于1‰。

3 地表沉降控制措施數(shù)值模擬分析

為了確定隧道下穿長(zhǎng)城段的施工方法，采用flac3D數(shù)值方法分析了不同超前支護(hù)措施對(duì)地表沉降控制效果。這些施工控制措施包括超前注漿小導(dǎo)管、管棚注漿、掌子面加固(即噴射10 cm厚C25混凝土封閉+?25 mm玻璃纖維砂漿錨桿)。

3.1 分析模型建立

采用flac3D軟件進(jìn)行有限差分法的數(shù)值模擬，計(jì)算模型如圖2所示。模型上邊界為地表，左、右及下邊界圍巖范圍取3倍洞徑，隧道埋深20.3 m。上邊界采用自由邊界，其余邊界約束法向位移。模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為167 340，單元數(shù)為159 024。

各層圍巖視為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性介質(zhì)，僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)。圍巖、支護(hù)均采取實(shí)體單元模擬，圍巖采用摩爾—庫(kù)侖力學(xué)模型，支護(hù)采用彈性力學(xué)模型。數(shù)值模擬時(shí)對(duì)超前管棚、超前小導(dǎo)管和掌子面加固采取提高加固范圍內(nèi)圍巖參數(shù)的方法，管棚加固范圍按管棚周邊40 cm、超前小導(dǎo)管加固范圍按小導(dǎo)管周邊20 cm、管棚+小導(dǎo)管加固范圍按周邊40 cm考慮。

圖2 計(jì)算模型

隧道開(kāi)挖采用兩臺(tái)階臨時(shí)橫撐法，施工步序如圖3所示，開(kāi)挖采用殺死單元模擬。仰拱落后掌子面約35 m施作，二襯落后約70 m施作，因此不考慮二襯施作，僅模擬開(kāi)挖及初支完成后地表沉降和隧道變形。

圖3 施工步序

3.2 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

初期支護(hù)噴混凝土強(qiáng)度為C25，初期支護(hù)設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表1。

圍巖物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)勘察資料選取，隧道從上到下共3種土層，依次為新黃土、砂巖夾泥巖、砂巖。支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003-2006)選取，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 初期支護(hù)參數(shù)

3.3 模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬時(shí)共分為4種工況，4種工況施工措施為：①工況1，超前注漿小導(dǎo)管、洞身管棚、兩臺(tái)階臨時(shí)橫撐法+掌子面加固+擴(kuò)大拱腳。②工況2，超前注漿小導(dǎo)管、兩臺(tái)階臨時(shí)橫撐法+掌子面加固+擴(kuò)大拱腳。③工況3，洞身管棚、兩臺(tái)階臨時(shí)橫撐法+掌子面加固+擴(kuò)大拱腳。④工況4，超前注漿小導(dǎo)管、洞身管棚、兩臺(tái)階臨時(shí)橫撐法+擴(kuò)大拱腳。位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括地表沉降、上下臺(tái)階水平收斂、拱頂下沉和仰拱隆起。監(jiān)測(cè)斷面為模型中心橫斷面，在監(jiān)測(cè)斷面相應(yīng)位置布置測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。

3.3.1 地表沉降

表2 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

開(kāi)挖步長(zhǎng)為1.2 m，臺(tái)階長(zhǎng)度3.6 m，量測(cè)點(diǎn)距離掌子面4.8 m時(shí)隧道初支完全封閉，隧道地表沉降時(shí)程曲線如圖5所示。由圖5可以看出：地表沉降值逐漸增大，掌子面離開(kāi)20 m后，地表沉降趨于穩(wěn)定。地表沉降速率如圖6所示，由圖可知，地表沉降速率在開(kāi)挖至掌子面前達(dá)到峰值，初支完全封閉及掌子面離開(kāi)20 m時(shí)位移速率突然減小，之后沉降速率明顯減小，漸趨于0。各工況地表沉降位移速率均不大于5 mm/d。

圖5 地表沉降時(shí)程曲線

圖6 地表沉降速率變化

4種工況下的地表沉降最大值見(jiàn)表3，最終沉降槽形狀如圖7所示。由表3和圖7可以看出：只有工況4不滿足沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，工況1沉降控制狀況最好。

表3 4種工況沉降情況匯總表

圖7 地表沉降槽

3.3.2 隧道變形

為更好的分析超前支護(hù)的作用，合理制定施工方案，現(xiàn)對(duì)隧道圍巖變形情況進(jìn)行分析，拱頂沉降時(shí)程曲線如圖8所示，洞周水平收斂變形時(shí)程曲線如圖9所示。

圖8 拱頂沉降時(shí)程曲線

由圖8可知，隨著隧道的開(kāi)挖與支護(hù)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移速率逐漸變小，初支閉合后，變形基本穩(wěn)定。工況1拱頂沉降量最小，約51 mm；工況4最大，約88 mm。

圖9 洞周水平位移時(shí)程曲線

由圖9可知，上臺(tái)階開(kāi)挖后，工況1、工況2、工況3監(jiān)測(cè)斷面的水平位移迅速增長(zhǎng)，上臺(tái)階初支完成后，水平位移速率變?。怀跗谥ёo(hù)閉合后，工況4下臺(tái)階水平位移速率突降；在初支封閉后，各種工況的圍巖變形位移速率均大幅下降，圍巖基本穩(wěn)定。

各工況均未發(fā)生“穩(wěn)定滯后”現(xiàn)象，其中工況1、工況2、工況3洞周水平位移最大值均不超過(guò)15 mm，且變形趨勢(shì)基本一致。各工況中，工況4圍巖變形較大，明顯高于其他工況。

3.3.3 隧道塑性區(qū)

各工況不同工序塑性區(qū)分布情況見(jiàn)圖10～圖13，工況2、工況4的塑性區(qū)面積較大，工況4塑性區(qū)由隧道拱頂?shù)墓芘飪蓚?cè)向圍巖深處蔓延；工況1與工況3塑性區(qū)分布相似，且工況3塑性區(qū)面積略大于工況1，工況1的塑性區(qū)面積最小。各工況塑

圖10 工況1不同工序塑性區(qū)分布變化

圖11 工況2不同工序塑性區(qū)分布變化

圖12 工況3不同工序塑性區(qū)分布變化

性區(qū)大部分為剪切力導(dǎo)致。

4 地表沉降控制措施

隧道上部為新黃土，洞身位于黃土與泥質(zhì)砂巖接觸帶，圍巖穩(wěn)定性差，有塌方危險(xiǎn)。隧道施工時(shí)，采用超前小導(dǎo)管、兩臺(tái)階臨時(shí)橫撐法+掌子面加固+擴(kuò)大拱腳的施工方法。隧道下穿長(zhǎng)城區(qū)段內(nèi)，為降低風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)置洞身管棚，黃土地層機(jī)械開(kāi)挖，砂巖控制爆破開(kāi)挖。

圖13 工況4不同工序塑性區(qū)分布變化

由于黃土隧道拱部系統(tǒng)錨桿作用效果不明顯[9]，取消了拱部系統(tǒng)錨桿。掌子面加固采用噴射10 cm厚C25混凝土封閉+?25 mm玻璃纖維砂漿錨桿，錨桿長(zhǎng)度6 m，間距1.5 m，交錯(cuò)布置。臨時(shí)橫撐采用I16型鋼鋼架，每?jī)砷跗谥ёo(hù)鋼架架設(shè)一榀臨時(shí)橫撐，通過(guò)連接鋼板和螺栓、橡膠墊板與初期支護(hù)鋼架連接，上臺(tái)階閉合成環(huán)。

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，超前小導(dǎo)管、洞身管棚對(duì)淺埋隧道地表沉降的控制有重要作用，掌子面的加固對(duì)控制地表沉降和拱頂下沉量起到了不可替代的作用。工況1采取超前注漿小導(dǎo)管、洞身管棚、兩臺(tái)階臨時(shí)橫撐法+掌子面加固+擴(kuò)大拱腳的施工方案，最大沉降量為21 mm，且局部?jī)A斜未超過(guò)1‰，對(duì)圍巖變形控制良好，對(duì)長(zhǎng)城遺址的影響最小。

結(jié)合明長(zhǎng)城文物保護(hù)部門(mén)的要求，考慮到明長(zhǎng)城年代久遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，橫山隧道為黃土淺埋隧道，對(duì)地表沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)從嚴(yán)控制，因此選擇最貼近工況1的施工方案。

隧道施工實(shí)踐表明，隧道下穿長(zhǎng)城段沉降量最大約為20 mm，滿足地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，隧道安全、穩(wěn)定，且未對(duì)長(zhǎng)城遺址造成破壞，安全通過(guò)長(zhǎng)城遺址保護(hù)區(qū)。

5 結(jié)論

(1)確定隧道下穿段控制標(biāo)準(zhǔn)：地表沉降最大允許值為30 mm，變形速率不大于5 mm/d，局部?jī)A斜不大于1‰。

(2)隧道洞身段采用超前管棚、注漿小導(dǎo)管、兩臺(tái)階臨時(shí)橫撐法+掌子面加固+擴(kuò)大拱腳的施工方法時(shí)，地表最大沉降計(jì)算值為21 mm，局部?jī)A斜小于1‰，符合沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，且對(duì)地表沉降控制效果最好。其他工程措施下，地表最大沉降量較大，且對(duì)洞周?chē)鷰r變形控制效果較差。

(3)施工時(shí)采用超前注漿小導(dǎo)管并對(duì)掌子面進(jìn)行加固，在下穿長(zhǎng)城遺址保護(hù)區(qū)時(shí)加設(shè)洞身管棚，保證了隧道安全施工，保護(hù)了長(zhǎng)城遺址。