隧道填土技術(shù)和試驗方法

朱國權(quán)　林瓊娜

摘要：針對隧道填土承載力低、濕陷性差的問題，研究采用現(xiàn)場實驗的方法，通過分析重慶軌道交通10號線中央公園至中央公園西站填土隧道圍巖的壓力，以及支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力特性和荷載分布規(guī)律，對隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)安全性進行評估，并將其安全性能反饋給隧道填土設(shè)計與施工，為隧道填土施工方法和其支護結(jié)構(gòu)體系提供了一套科學合理的理論體系，也為類似的工程項目提供了參考依據(jù)，具有一定的實際工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：隧道填土;現(xiàn)場試驗;安全評估;力學特性

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）07-0152-04

Tunnel filling technology and test method

ZHU Guoquan， LIN Qiongna

（Ningbo Ningdu Foundation Treatment Technology Co.， Ltd.， Ningbo 315022， Zhejiang China）

Abstract：Focusing on the problems of low bearing capacity and poor collapsibility of filling soil in tunnel， the safety of tunnel surrounding rock and supporting structure is evaluated by field test method through analyzing the pressure of surrounding rock， internal force characteristics and load distribution law of supporting structure in filling tunnel from Central Park to Central Park West Station of Chongqing railway Line 10， while its safety performance is fed back to the design and construction of tunnel filling， which provides a set of scientific and reasonable theoretical system for the construction method of tunnel filling and its supporting structure system， and also provides a reference for similar projects， which has a certain practical engineering application value.

Key words：tunnel fill; field test; safety assessment; mechanical properties

隨著城市化進程的加快，地下軌道交通快速發(fā)展，已成為城市公共交通的主要構(gòu)成。然而，由于不同地理環(huán)境，不同的城市地下隧道施工方法和填土技術(shù)規(guī)范不同，復(fù)雜地理環(huán)境下的軌道交通隧道施工更為困難，目前復(fù)雜地理環(huán)境下的隧道填土技術(shù)的研究主要集中在理論分析與數(shù)值計算方面。如在諸多假設(shè)的基礎(chǔ)上，對隧道填土技術(shù)和隧道施工進行研究，分析了支護結(jié)構(gòu)和圍巖壓力變化的規(guī)律等，提出系列隧道填土技術(shù)與施工方法[1-3]。由于基于理論知識的隧道填土與實際情況存在一定差異，難以全面反映實際施工狀態(tài)，進而難以確保隧道施工安全。為確保隧道施工安全，本研究采用現(xiàn)場試驗方法，以某軌道交通10號線中央公園至中央公園西站隧道施工為研究對象，從圍巖受力變化、支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力方面分析了復(fù)雜地理環(huán)境下隧道填土技術(shù)，并將其反饋到隧道設(shè)計與施工中，指導隧道安全建設(shè)。

1實驗方案

隧道填土技術(shù)現(xiàn)場測試的主要目的是監(jiān)測隧道施工過程中其支護結(jié)構(gòu)和圍巖的穩(wěn)定情況，以獲取填土與初期支護的參數(shù)，并為其參數(shù)調(diào)優(yōu)提供依據(jù)，進而確保隧道施工安全。本試驗除了常規(guī)測量隧道施工區(qū)間的項目外，還應(yīng)對隧道開挖后支護結(jié)構(gòu)、圍巖應(yīng)力和變形特征等測試，具體包括：

（1）圍巖動態(tài)，以評估其穩(wěn)定性;

（2）支護結(jié)構(gòu)的受力情況與應(yīng)力分布;

（3）圍巖和支護結(jié)構(gòu)的位移與應(yīng)力應(yīng)在設(shè)計標準范圍內(nèi);

（4）支護結(jié)構(gòu)是否具有安全性和合理性;

（5）預(yù)見險情和事故[4]。

2測試內(nèi)容

本次現(xiàn)場測試為區(qū)間測試。測試對象為某軌道交通10號線工程中央公園至中央公園西站暗挖隧道區(qū)間斷面DK39+805段。測試內(nèi)容：斷面位移、斷面支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力（圍巖與初期支護、初期支護與2襯支護的間接觸壓力）、支護結(jié)構(gòu)荷載分布[5]。區(qū)間斷面DK39+805段的主要參數(shù)：

圍巖：VI級;挖掘方法：3臺階預(yù)留核心土挖法;埋深：20 m。初期支護參數(shù)：鋼架為格柵@0.5 m;

鋼筋網(wǎng)為雙層，8@200×200;噴射混凝土為C25，厚度為300 mm;超前支護為小導管@1.5 m+R51，自進式中空錨桿。

3結(jié)果與分析

3.1斷面位移測量與分析

斷面位移是衡量隧道洞周圍巖形變的主要特征，也是評價隧道支護結(jié)構(gòu)安全性能的重要指標[6]。本實驗以隧道區(qū)間斷面DK39+805段為例，對隧道斷面位移進行測試?？紤]到只有當掌子面達到測試斷面才可埋設(shè)位移測量計，因此本實驗對其位移測量僅分析后方收斂位移。DK39+805段斷面洞位移時程變化結(jié)果如圖1所示;洞周不同深度監(jiān)測點位移隨時間變化結(jié)果如圖2所示。

由圖1可知，掌子面前方先行位移約發(fā)生在其14 m（1.8D）的地方，先行位移約為3.14 mm，為總位移（9.03 mm）的35%;隧道開挖10 d左右，水平位移趨于穩(wěn)定，最大位移為12.09 mm;隧道開挖30 d左右，后方收斂位移（拱頂位移）趨于穩(wěn)定，掌子面離監(jiān)測斷面30 m（3.9D）位置，后方收斂位移約為5.89 mm，為總位移的65%。由此說明，淺埋軟弱圍巖隧道施工過程中，后方位移在3.9D開始收斂，比一般地質(zhì)下后方收斂距離（1～2）D更長。因此，應(yīng)采取噴射高性能混凝土等方式，讓淺埋軟弱圍巖隧道施工后方位移盡可能短距離收斂。

為更清晰說明DK39+805段圍巖內(nèi)部監(jiān)測點最終位移值位移情況，最終位移結(jié)果如表1所示。

然后通過對每個監(jiān)測點進行線性擬合，得到DK39+805段位移y的收斂范圍擬合方程：

拱頂y=-1.636 4+8.937 5

左拱腳y=0.001 6x+11.082

右拱腳y=-0.001 9x+11.934

令y=0，則可得到拱頂、邊墻、墻角的松弛范圍為5.5、6.9、6.3 m，即DK39+805段斷面洞周圍巖變形范圍為[5.5，6.9]。

3.2斷面支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力量測與分析

將現(xiàn)場試驗監(jiān)測的鋼拱架應(yīng)變值通過計算獲得其軸力與彎矩，得到DK39+805段支護結(jié)構(gòu)軸力、彎矩隨時間變化曲線圖。圖3為DK39+805段支護結(jié)構(gòu)軸力變化曲線;圖4為DK39+805段支護結(jié)構(gòu)彎矩變化曲線。

由圖3、圖4可知，支護結(jié)構(gòu)在30 d左右趨于穩(wěn)定，支護結(jié)構(gòu)全截面受拉，拱頂、邊墻、仰拱受正彎矩作用，其余彎矩為負。軸力最大位置為左拱腰，達362 kN;最小位置為仰拱，達195 kN;彎矩最大位置為左、右墻角，分別達11.85、10.64 kN·m;彎矩最小位置為仰拱，達4.52 kN·m。

采用《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》對支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力安全性進行檢驗，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，斷面DK39+805的支護結(jié)構(gòu)所有位置的抗拉安全系數(shù)均大于1.7，說明隧道施工過程中支護結(jié)構(gòu)安全。

3.3斷面支護結(jié)構(gòu)荷載分布規(guī)律

支護結(jié)構(gòu)荷載分布是反應(yīng)隧道內(nèi)部受力規(guī)律的重要指標，通過分析其分布規(guī)律，可對支護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，進而提高隧道的安全性[9-10]。本實驗以車站斷面DK39+170段和隧道區(qū)間斷面DK39+805段為例，進行斷面支護結(jié)構(gòu)荷載分布測試。

隧道區(qū)間斷面DK39+805段測試結(jié)果如圖5～圖7所示。

由圖5～圖7可知，該斷面拱頂和仰拱附近的填土壓力最大，在[0.241 MPa，0.285 MPa]之間;邊墻同樣也承受了較大的填土壓力，約為0.161 MPa;初支與2襯支護接觸壓力在安裝40 d左右趨于穩(wěn)定，拱頂與仰拱的接觸壓力變化明顯;初支與2襯間接接觸壓力最大位置為左墻角，約為0.19 MPa。

采用力學分析該斷面支護結(jié)構(gòu)，得

初期支護分擔荷載擔荷=圍巖與外層層鋼拱架接觸壓-初支與2襯襯接觸壓/圍巖與外層鋼拱架接觸壓力×100%;

襯分擔荷載比例=100%-初期支護分擔荷載擔荷;

外層鋼拱架分擔荷載擔荷=圍巖與外層層鋼拱架解除壓力-外層層鋼拱與內(nèi)層層鋼拱架接觸壓/圍巖與外層鋼拱架接觸壓力-2次襯次襯砌分擔×100%;

內(nèi)層層鋼拱架分擔荷載比例=100%-外層層鋼拱架分擔荷載比例。

考慮到現(xiàn)場測試中存在諸多不可控因素，可能會導致部分測試結(jié)果過大或過小。因此，為減小測試過程中的誤差，研究根據(jù)上式并采用平均值的方式計算DK39+805段鋼拱架內(nèi)、外層荷載分布，結(jié)果如表5所示。

由表5可知，初支荷載占比約為66.18%，2襯荷載占比33.92%;相較于初支與2襯的壓力，初支與圍巖的接觸壓力更大，說明在隧道圍巖條件較差的情況下，2襯在隧道中承擔了一定荷載。因此，不僅需要增加初支厚度，同時還需從工法方面采取相應(yīng)措施進行改善2襯。

從現(xiàn)場測試整體結(jié)果來看，區(qū)間斷面DK39+805段初支未開裂，且位移沒有超過預(yù)警值。故本研究隧道填土技術(shù)有效。

4結(jié)語

（1）根據(jù)區(qū)間斷面DK39+805段隧道拱頂位移與掌子面推進變化可知，先行位移占總位移35%，對其應(yīng)進行控制，以防止發(fā)生更大的形變。后方位移收斂距離為（3～3.3）D，較一般隧道收斂距離較長，采用噴射高性能混凝土等對其進行處理;

（2）根據(jù)DK39+805段監(jiān)測點位移線性擬合結(jié)果，周圍巖變?yōu)閇5.5 m，6.9 m]。由此可知，圍巖較為軟弱，洞周圍圍巖開始出現(xiàn)松弛;

（3）根據(jù)區(qū)間DK39+805圍巖壓力監(jiān)測結(jié)果，掌子面開挖的影響為3.7D左右，說明填土變形速度較慢且持續(xù)時間長，圍巖壓力最大位置為拱頂和墻角。分析其原因是由埋深較深的緣故所致，因此需在支護結(jié)構(gòu)設(shè)計時增加其荷載;

（4）根據(jù)區(qū)間DK39+805支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力量測結(jié)果可知，支護結(jié)構(gòu)在30 d左右趨于穩(wěn)定，支護結(jié)構(gòu)全截面受拉，拱頂、邊墻、仰拱受正彎矩作用，其余彎矩為負;軸力最大位置、最小位置分別為左拱腰、仰拱，彎矩最大位置、最小位置分別為左右墻角、拱頂。各斷面初期支護安全系數(shù)大于1.7，說明支護結(jié)構(gòu)安全。

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