淺埋暗挖黃土隧道地層及圍巖力學(xué)特性變化規(guī)律

井洪濤

(陜西省鐵路集團(tuán)有限公司， 西安 710199)

隨著“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的不斷向前推進(jìn)，西北地區(qū)一大批基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)極大地推動(dòng)了以黃土深埋高地應(yīng)力巖體為主的巖土理論和施工技術(shù)的快速發(fā)展。西北黃土高原地層土質(zhì)疏松、垂直節(jié)理發(fā)育、強(qiáng)度低、變形大[1]。在黃土地區(qū)開挖淺埋隧道時(shí)，由于地質(zhì)軟弱、結(jié)構(gòu)埋深淺、圍巖自穩(wěn)性差、承載力小和變形大等問(wèn)題，導(dǎo)致施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、工程處理措施費(fèi)用高[2]。如果選用的施工方法或后期支護(hù)方式不當(dāng)，都極有可能引發(fā)隧道坍塌或出現(xiàn)地表過(guò)大沉降，對(duì)周邊建(構(gòu))筑物造成影響。針對(duì)這些問(wèn)題，專家學(xué)者進(jìn)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(guò)程中土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的壓力關(guān)系。劉志強(qiáng)等[4]結(jié)合寶蘭鐵路大斷面高含水率隧道施工，對(duì)不同埋深及不同含水率下的開挖進(jìn)尺、步序、核心土長(zhǎng)度等工況進(jìn)行了研究。嚴(yán)松宏等[5]在考慮應(yīng)力和滲流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，對(duì)淺埋大斷面區(qū)間隧道進(jìn)行研究，獲得了孔隙水壓力、圍巖及支護(hù)應(yīng)力、地表及洞壁位移的分布特征。李健等[6]以鄭西專線閿鄉(xiāng)隧道為依托，對(duì)淺埋大跨黃土隧道長(zhǎng)大管棚的受力機(jī)制進(jìn)行了研究。樊純壇等[7]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)黃土隧道仰拱的力學(xué)特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)仰拱部分圍巖壓力呈兩頭大、中間小的分布規(guī)律。魏綱等[8]根據(jù)彈性地基梁原理，在考慮建筑物剛度的基礎(chǔ)上，計(jì)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(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)淺埋扁平超大斷面隧道各施工階段圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)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(yīng)力集中?？底舻萚10]結(jié)合西安地鐵二號(hào)線，對(duì)黃土淺埋暗挖地鐵隧道的地表、地層縱橫向變形進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

近些年來(lái)，西部山區(qū)發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，受到地形地貌和施工條件限制，經(jīng)常在依山傍水段布設(shè)線路，不可避免地遇到黃土地層淺埋隧道施工等技術(shù)難題，此外城市地鐵隧道大多也為淺埋隧道[11]。因此，對(duì)動(dòng)態(tài)施工時(shí)淺埋黃土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化和圍巖變形問(wèn)題進(jìn)行深入研究有很重要的科研價(jià)值和實(shí)踐意義?，F(xiàn)以新建蒙華鐵路運(yùn)煤通道青化砭隧道為依托，分析黃土地區(qū)淺埋大跨度隧道開挖時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、地表沉降及圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律，為今后黃土地區(qū)淺埋暗挖大跨度隧道的設(shè)計(jì)和施工積累經(jīng)驗(yàn)。

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(qū)鐵路煤運(yùn)通道的重要組成部分，地處陜北黃土高原梁峁區(qū)，沖溝發(fā)育，地質(zhì)復(fù)雜，黃土、軟巖并存，主要巖性為砂黏質(zhì)新老黃土、粉質(zhì)黏土。研究的青化砭2#隧道為單洞雙線隧道，全長(zhǎng)4 396.72 m，洞徑12.88 m，以Ⅳ、Ⅴ級(jí)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(gè)典型斷面進(jìn)行圍巖受力和地層變形分析。

根據(jù)研究需求，在施工區(qū)段內(nèi)設(shè)置3個(gè)綜合監(jiān)測(cè)斷面，分析施工擾動(dòng)下，隧道的地層響應(yīng)和圍巖變形規(guī)律。地層變位現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試內(nèi)容如下。

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

圖1 地表沉降橫向測(cè)點(diǎn)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(jìn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道拱頂沉降和水平收斂變形,測(cè)點(diǎn)布置位置如圖2所示。

圖2 位移測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Layout of displacement measurement points

(3)圍巖和初支接觸應(yīng)力測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置情況如圖3所示。

圖3 圍巖應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Layout of stress measuring point of surrounding rock

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 地層變位規(guī)律分析

為了研究淺埋暗挖黃土隧道施工誘發(fā)的地表和地中沉降，在3個(gè)綜合監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)布置深度方向沉降孔和水平方向測(cè)斜孔，分析隧道開挖引起的地表、地中和拱頂下沉規(guī)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(jiān)測(cè)斷面中測(cè)點(diǎn)沉降與工作面推進(jìn)距離之間的關(guān)系曲線基本一致。當(dāng)測(cè)點(diǎn)滯后工作面-9～0 m時(shí)，由于隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施作完成，工作面開挖對(duì)其軸向地表沉降影響較小，沉降均小于10 mm。此外按照測(cè)點(diǎn)沉降與工作面距離間的關(guān)系，其可分為兩段。在0～9 m范圍內(nèi)，軸向測(cè)點(diǎn)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(nèi)，測(cè)點(diǎn)沉降增大趨勢(shì)減緩，在17 m處沉降值最大約為35 mm。因此在實(shí)際開挖過(guò)程中，采用超前小導(dǎo)管和管棚支護(hù)技術(shù)對(duì)隧道周圍地層進(jìn)行加固，控制軸向地表沉降在允許范圍之內(nèi)。

圖4 測(cè)點(diǎn)沉降隨工作面推進(jìn)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面中橫向地表沉降規(guī)律基本一致?，F(xiàn)以2#監(jiān)測(cè)斷面為例，如圖5所示繪制橫斷面方向不同測(cè)點(diǎn)的地表沉降曲線，研究隧道開挖各工序?qū)ζ涞挠绊憽?/p>

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(jìn)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(tái)階法施工時(shí)各工序中地表沉降曲線均呈“單峰”狀態(tài)，在中軸線處地表沉降最大，兩側(cè)隨距增大沉降快速減小。

當(dāng)左上導(dǎo)洞完成時(shí)，橫斷面內(nèi)僅中軸線處地表沉降最大。當(dāng)左下導(dǎo)洞完成時(shí)，整個(gè)橫斷面內(nèi)地表沉降量進(jìn)一步增大，且由于左側(cè)導(dǎo)洞率先開挖，中軸線左側(cè)地表沉降大于右側(cè)同距離處測(cè)點(diǎn)沉降。 當(dāng)右上導(dǎo)洞完成時(shí)，各測(cè)點(diǎn)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(dāng)右下導(dǎo)洞完成時(shí)，拱頂兩側(cè)-6～6 m范圍內(nèi)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(hù)，盡快施做初期支護(hù)，阻止地表產(chǎn)生過(guò)大變形。

2.1.3 隧道拱頂下沉

在2#監(jiān)測(cè)斷面隧道拱頂和中軸線地表處設(shè)置豎向沉降觀測(cè)點(diǎn)，在開挖過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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?？梢钥闯?，隨著工作面推進(jìn)，拱頂和地表下沉逐漸增大，當(dāng)測(cè)點(diǎn)超前工作面13 m時(shí)，拱頂和地表沉降逐漸趨于穩(wěn)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(dòng)周圍地層，使得超前工作面0～15 m范圍內(nèi)的地層下沉。當(dāng)測(cè)點(diǎn)滯后工作面時(shí)，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(hù)施做后圍巖穩(wěn)定性提高，變形大幅減小。當(dāng)測(cè)點(diǎn)距工作面-3～5 m時(shí)，由于掌子面開挖后的短時(shí)間內(nèi)地層側(cè)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(guò)程中，擾動(dòng)上覆土體，導(dǎo)致某些土層發(fā)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(cè)設(shè)置兩個(gè)垂直沉降孔，如圖7所示，提取數(shù)據(jù)繪制開挖過(guò)程中不同埋深處縱軸線方向水平位移變化曲線，其正負(fù)值分別代表位移向隧道內(nèi)側(cè)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(nèi)，地層受到擠壓，應(yīng)力釋放，0～8 m深度內(nèi)水平位移較大，8～12 m深度內(nèi)隨測(cè)點(diǎn)與開挖面水平距離增大，工作面開挖的擾動(dòng)減小，縱向水平位移減小。與超前8 m相比，當(dāng)超前15 m時(shí)，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(dāng)測(cè)點(diǎn)滯后開挖面0.5 m時(shí)，在開挖卸壓作用下地層呈擠壓趨勢(shì)，土體向隧道內(nèi)側(cè)移動(dòng)，縱向水平位移改變方向，向隧道已開挖方向移動(dòng)，但在初期支護(hù)作用下，滯后區(qū)水平位移小于超前區(qū)。當(dāng)測(cè)斜管滯后4 m時(shí)，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(nèi)，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(cè)斜孔數(shù)據(jù)，如圖8所示，繪制深度范圍內(nèi)各工況橫向水平位移變化曲線，同樣正負(fù)值分別代表位移向隧道內(nèi)側(cè)和背離隧道方向。

從圖8可以看出，在開挖面擾動(dòng)下，當(dāng)超前距離為8 m時(shí)，隧道兩側(cè)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(dāng)超前距離從8 m增大到10 m時(shí)，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(qū)域內(nèi)，地層向背離隧道的方向移動(dòng)。其原因是掌子面施工導(dǎo)致周圍地層應(yīng)力釋放，當(dāng)觀測(cè)斷面接近或滯后工作面時(shí)，在開挖卸壓的影響下，橫向水平位移逐漸轉(zhuǎn)向隧道內(nèi)測(cè)。隨著滯后距離逐漸增大，水平位移先快速增加，后逐漸穩(wěn)定并達(dá)到最大，與地表和拱頂變形規(guī)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(xué)特性分析

2.2.1 圍巖徑向接觸應(yīng)力

在2#監(jiān)測(cè)斷面的拱頂、左右拱腰、左右仰拱和仰拱底等位置埋設(shè)土壓力盒，研究開挖過(guò)程中隧道圍巖壓力的變化規(guī)律，進(jìn)而評(píng)價(jià)所采用支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性，圖9所示為各測(cè)點(diǎn)圍巖與初期支護(hù)接觸壓力時(shí)程曲線。

由圖9可知，各工序中，隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸壓力均存在先快速增大、再緩慢增大、最后趨于穩(wěn)定的變化過(guò)程。在拱頂處圍巖與初期支護(hù)的接觸壓力最大，為0.39 MPa。開挖邊墻時(shí)，拱頂壓力增大，兩拱肩壓力略有減小。初支完成后整個(gè)斷面支護(hù)剛度增大，27 d后圍巖變形和拱部壓力趨于穩(wěn)定。此外，除了拱頂外，采用交叉中隔墻法施工時(shí)，由于隧道圍巖應(yīng)力釋放，左側(cè)導(dǎo)洞完成后左拱肩、左拱腳作用在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的圍巖接觸壓力基本形成，而在右側(cè)導(dǎo)洞施工時(shí)其壓力增長(zhǎng)較小，總體小于20%。24 d初支完成后，各測(cè)點(diǎn)處接觸壓力重新調(diào)整，左右拱肩和拱腰處壓力趨于穩(wěn)定，而仰拱處壓力緩慢增大，最后趨于穩(wěn)定。

圖9 圍巖與支護(hù)接觸壓力時(shí)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(guò)程中，變形監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)跟進(jìn)，對(duì)3#斷面持續(xù)監(jiān)測(cè)一個(gè)月，得到隧道拱頂沉降變形和水平收斂變形隨時(shí)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(wěn)定階段。在隧道開挖初期，由于地層受到較大擾動(dòng)，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(jìn)入穩(wěn)定階段。采用噴射混凝土、鋼拱架和格柵鋼架支護(hù)結(jié)構(gòu)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(nèi)。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(shí)間的變化曲線如圖11所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，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(hù)交替施工，變形速率的大小發(fā)生波動(dòng)，圍巖變形量隨時(shí)間的增長(zhǎng)累計(jì)增大，15 d后變形速率大幅減小，圍巖變形增長(zhǎng)曲線逐漸平緩，并趨于定值不再變化，表明該種組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果較好，在相似工程的設(shè)計(jì)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(jié)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(wěn)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(jìn)入穩(wěn)定階段。

(2)開挖時(shí)由于部分地層出現(xiàn)松弛區(qū)，在0～6 m深度范圍內(nèi)，豎向沉降隨埋深的增大而增大，當(dāng)埋深大于10 m時(shí)，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(dāng)觀測(cè)斷面滯后和超前開挖面時(shí)，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(nèi)側(cè)和背離隧道方向發(fā)展。

(4)噴射混凝土、鋼拱架和格柵鋼架形成的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，支護(hù)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(shè)計(jì)和施工中可以借鑒。