山嶺隧道淺埋段開(kāi)挖圍巖變形特征分析

摘 要：文章以柳州經(jīng)合山至南寧高速公路某淺埋隧道為依托，通過(guò)在隧道洞內(nèi)和上覆土層中埋設(shè)監(jiān)測(cè)元器件開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)山嶺隧道淺埋段地表沉降和圍巖變形規(guī)律進(jìn)行研究。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：掌子面開(kāi)挖后，隧道縱向變形呈“S”型分布，地表沉降影響約為掌子面前方12 m；中臺(tái)階開(kāi)挖后對(duì)掌子面變形影響最大，圍巖豎向變形明顯大于周邊收斂，這是由于淺埋隧道圍巖豎向壓力作用明顯大于水平壓力；隧道上覆地層變形最大處位于隧道上覆土層2.4～2.8 m，其縱向和橫向水平位移均出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)；下臺(tái)階開(kāi)挖前是圍巖壓力釋放的主要階段，占最終值比例＞80%。

關(guān)鍵詞：山嶺隧道；淺埋隧道；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；變形監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：U456.3+1

0 引言

隨著我國(guó)“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的提出，西部地區(qū)一大批基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入推動(dòng)了山嶺隧道理論研究和施工技術(shù)的發(fā)展［1-2］。山嶺隧道淺埋段開(kāi)挖由于其圍巖應(yīng)力狀態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)收斂極其復(fù)雜，嚴(yán)重影響隧道施工安全性，隧道冒頂、坍塌、二襯開(kāi)裂、地表大范圍沉降等施工風(fēng)險(xiǎn)概率增大［3-4］。因此，針對(duì)山嶺隧道淺埋段施工期圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析有重要意義。

眾多學(xué)者針對(duì)淺埋山嶺隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖變形規(guī)律、地表沉降特征等開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、模型試驗(yàn)或數(shù)值模擬研究。陳進(jìn)［5］通過(guò)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)淺埋偏壓隧道在圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)條件時(shí)，分別采用臺(tái)階法和預(yù)留核心土法開(kāi)挖控制圍巖變形效果最好；廖磊毅［6］為解決某鐵路隧道淺埋段圍巖軟化并侵入初支的問(wèn)題，提出了洞內(nèi)徑向注漿和地表注漿結(jié)合的方式控制地面沉降。苑敏等［7］采用現(xiàn)場(chǎng)全過(guò)程監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方法，發(fā)現(xiàn)淺埋山嶺隧道開(kāi)挖后地表沉降呈“沉降槽分布”，鋼拱架前期應(yīng)變速率變化較大，且臺(tái)階拱架應(yīng)變均會(huì)重新分布；林錦騰等［8］以佳龍嶂隧道為依托，發(fā)現(xiàn)當(dāng)淺埋隧道的埋深小于洞徑2倍時(shí)，不同觀測(cè)點(diǎn)處拱頂沉降受影響最大，圍巖變形分為3個(gè)階段，且變形急劇階段是防護(hù)隧道變形重要時(shí)期。

因此，對(duì)山嶺隧道淺埋段開(kāi)挖進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)受力分析和圍巖變形規(guī)律研究有重要意義。本文以柳州經(jīng)合山至南寧高速公路某淺埋隧道為依托，分析了淺埋隧道開(kāi)挖過(guò)程中地表、洞內(nèi)圍巖變形及圍巖壓力的變化規(guī)律，為今后山嶺隧道淺埋段施工和設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概述

以柳州經(jīng)合山至南寧高速公路某淺埋隧道為例，該隧道埋深15～250 m，其中K102+580～K130+250段圍巖等級(jí)以Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)為主，隧道左線長(zhǎng)595 m，右線長(zhǎng)670 m，開(kāi)挖洞徑10.5 m，采用三臺(tái)階臨時(shí)橫撐法開(kāi)挖（見(jiàn)圖1），開(kāi)挖工序主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）開(kāi)挖上臺(tái)階1部，人工與機(jī)械組合開(kāi)挖后立即初噴封閉掌子面，然后進(jìn)行洞身襯砌支護(hù)（包括架設(shè)臨時(shí)拱架支撐）。

（2）待1部開(kāi)挖支護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，拆除臨時(shí)鋼支撐2～4榀，開(kāi)挖2部中臺(tái)階，保持上臺(tái)階與中臺(tái)階間距在6～10 m。

（3）待中臺(tái)階開(kāi)挖完成，繼續(xù)掘進(jìn)下臺(tái)階3部，下臺(tái)階分仰拱頂面以上和仰拱開(kāi)挖，保持下臺(tái)階與上臺(tái)階距離≤15 m，待仰拱面以上開(kāi)挖完成立即進(jìn)行初支施工。

（4）仰拱開(kāi)挖完成后，內(nèi)部澆筑混凝土，初支閉合成環(huán)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件及周圍地形分布，選取3個(gè)典型斷面進(jìn)行地層變形、圍巖變化及圍巖壓力分析。在隧道進(jìn)口淺埋段布設(shè)地表沉降及地層變?yōu)橛^測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖2），其現(xiàn)場(chǎng)布置內(nèi)容如下：

（1）地表下沉監(jiān)測(cè)在隧道淺埋段上方布置15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)橫向間距2～5 m，縱向間距10 m。地層變位采用3個(gè)沉降孔觀測(cè)，孔間距1 m。圍巖橫向變形采用2個(gè)水平位移斜側(cè)孔位移計(jì)觀測(cè)，測(cè)孔布置在拱腳上方0.5 m，距中軸線7.2 m處。

（2）隧道內(nèi)圍巖變形測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，在隧道拱頂、拱腰及中臺(tái)階處布置觀測(cè)反光片進(jìn)行位移觀測(cè)。圍巖壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在拱頂、左右拱腰、左右拱腳處。

2 地表沉降及地層變位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 地表沉降規(guī)律分析

為研究強(qiáng)風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r淺埋隧道開(kāi)挖后地表沉降及隧道洞頂上部土體位移變化規(guī)律，布置3個(gè)斜側(cè)孔和2個(gè)沉降孔觀測(cè)，全面分析隧道開(kāi)挖后洞內(nèi)外土體沉降規(guī)律。

2.1.1 隧道縱向變形地表下沉分析

圖4為地表沉降隨隧道開(kāi)挖變形圖，從圖中可以看出3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面地表沉降變形曲線基本趨于一致，呈“S型”分布。監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離掌子面后方（掘進(jìn)方向?yàn)榍胺剑?2 m以外時(shí)，地表沉降最大值為7.6 mm，趨于穩(wěn)定，這是由于初期支護(hù)基本施作完成，圍巖變形量較小。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于-12～24 m時(shí)，地表沉降變形分為3個(gè)階段：監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于-12～0 m時(shí)，地表沉降處于較快速增長(zhǎng)階段，最大沉降值為13.2 mm；當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于0～12 m時(shí)，地表沉降處于快速增長(zhǎng)階段，其沉降曲線呈一次線形增長(zhǎng)，最大沉降速率達(dá)到7.9 mm/d，該測(cè)點(diǎn)位于掌子面前方6 m處；當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于12～24 m時(shí)，地表沉降處于緩慢增長(zhǎng)階段，地表沉降速率迅速減小，地表累計(jì)最大沉降值為37.9 mm。因此，在隧道淺埋段開(kāi)挖前需提前對(duì)掌子面上方地表0～12 m范圍進(jìn)行地表注漿處理，隧道洞內(nèi)掌子面單次超前支護(hù)距離宜＞6 m，以控制地表沉降處于設(shè)計(jì)規(guī)范允許值內(nèi)。

2.1.2 隧道橫向地表沉降分析

選取監(jiān)測(cè)斷面3研究隧道橫斷面方向地表沉降規(guī)律如圖5所示。由圖5可知，隨著掌子面開(kāi)挖面積變大地表沉降值和沉降影響范圍也逐漸增大，三臺(tái)階臨時(shí)橫撐法開(kāi)挖各臺(tái)階開(kāi)挖地表沉降曲線基本呈對(duì)稱分布，沉降值最大點(diǎn)均處于掌子面中線處，橫向沉降曲線呈沉降槽分布。

當(dāng)上臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，靠近掌子面軸線左側(cè)沉降觀測(cè)點(diǎn)略大于右側(cè)，這是由于隧道上部覆蓋土體分布不均所致。當(dāng)中臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，掌子面軸線觀測(cè)點(diǎn)沉降值迅速增大，中臺(tái)階與上臺(tái)階沉降最大差值明顯大于下臺(tái)階與中臺(tái)階沉降差值。這是由于中臺(tái)階掌子面開(kāi)挖方量明顯大于上下臺(tái)階，對(duì)圍巖擾動(dòng)也最大，且中臺(tái)階開(kāi)挖后初支支護(hù)時(shí)間最長(zhǎng)，圍巖應(yīng)力釋放時(shí)間最長(zhǎng)。當(dāng)下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，地表沉降影響范圍顯著變大，位于掌子面軸線-9～9 m內(nèi)，地表沉降值處于16.3～31.2 mm。已經(jīng)接近或超過(guò)地表沉降允許最大值30 mm，需盡早進(jìn)行鋼拱架支護(hù)，及時(shí)澆筑仰拱初支使掌子面盡早閉合成環(huán)。

2.1.3 隧道縱軸線地表及拱頂沉降分析

監(jiān)測(cè)斷面3拱頂上方地表沉降及拱頂沉降曲線如下頁(yè)圖6所示。隨著掌子面掘進(jìn)，掌子面前方地表沉降值和拱頂沉降值曲線變化趨勢(shì)相似，先迅速增長(zhǎng)后緩慢增大最終趨于穩(wěn)定，沉降最大值分別為37.7 mm和38.9 mm，超過(guò)了沉降允許值。這是由于受洞口前面段巖溶發(fā)育影響，9～15 m深度段溶蝕裂隙發(fā)育，巖芯呈破碎塊狀，圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育；掌子面開(kāi)挖后使得前方0～12 m范圍內(nèi)土層下沉。掌子面后方0～10 m范圍內(nèi)地表和拱頂沉降隨距離掌子面越遠(yuǎn)變形越小，這是由于初支限制了圍巖變形的能力。掌子面-6～6 m范圍內(nèi)拱頂和地表沉降變化最劇烈，掌子面開(kāi)挖圍巖應(yīng)力狀態(tài)由二向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，圍巖壓力短時(shí)間內(nèi)迅速釋放，使得拱頂位移迅速增大。在掌子面掘進(jìn)過(guò)程中，拱頂沉降值始終大于地表沉降值，其主要原因是隧道上覆土層發(fā)生壓縮、膨脹等原因?qū)е隆?/p>

2.2 圍巖水平方向位移變化

2.2.1 縱軸線方向圍巖水平位移

為研究隧道開(kāi)挖過(guò)程中隧道上方不同埋深位置縱軸線方向圍巖水平位移變化規(guī)律，選取斷面2兩側(cè)沉降孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析（見(jiàn)圖7）。位移正負(fù)值分別代表位移朝向隧道內(nèi)部和背離隧道內(nèi)部方向，超前5 m代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)為掌子面超前加固距離為5 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向位移變化，滯后2 m代表掌子面后方2 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向位移變化。

由圖7可知，各土層水平位移隨監(jiān)測(cè)深度呈現(xiàn)出“先增后減”的趨勢(shì)，最大水平位移埋深2.8 m。測(cè)點(diǎn)埋深0～6 m時(shí)，由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于塑性區(qū)內(nèi)，且受到圍巖壓力持續(xù)調(diào)整釋放影響，該深度范圍內(nèi)水平位移變化較大；測(cè)點(diǎn)埋深6～10 m時(shí)，隧道縱向水平位移迅速減小趨近于0，這表明該范圍測(cè)點(diǎn)處于彈塑性區(qū)，受開(kāi)挖擾動(dòng)影響較小。當(dāng)測(cè)點(diǎn)深度為6 m時(shí)，超前15 m和超前10 m的縱向水平位移均迅速減小，因此采用三臺(tái)階臨時(shí)橫撐法開(kāi)挖隧道縱向水平位移影響范圍處于10～15 m，可根據(jù)影響范圍調(diào)整超前加固距離。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移掌子面后方2 m時(shí)，受拱頂沉降變形影響，測(cè)點(diǎn)周圍土體向隧道內(nèi)側(cè)移動(dòng)，但其移動(dòng)速率明顯小于掌子面前方測(cè)點(diǎn)是受初期支護(hù)阻礙所致。

2.2.2 橫截面方面圍巖水平位移

圖8為斷面2內(nèi)掌子面前方超前加固5 m、10 m、15 m和掌子面后方2 m處水平斜孔監(jiān)測(cè)的圍巖橫向水平位移變形曲線，正負(fù)值分別代表圍巖位移靠近隧道內(nèi)側(cè)或背離隧道內(nèi)側(cè)。

在測(cè)點(diǎn)深度為0～6 m時(shí)，同一斷面圍巖橫向水平位移較大，且最大值處于2.4～2.8 m，與縱向水平位移最大位置基本吻合，圍巖橫向最大水平位移22.1 mm。當(dāng)測(cè)點(diǎn)深度為6～10 m時(shí)，超前10 m和15 m處測(cè)點(diǎn)橫向位移迅速減小，且橫向水平位移方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，超前5 m處橫向位移緩慢減小，這表明該開(kāi)挖方法影響的橫向位移超前支護(hù)影響范圍約為10 m。

3 圍巖壓力特征

圖9為斷面3的圍巖-初支接觸壓力時(shí)間曲線圖。在斷面3的拱頂、拱腰及拱腳處共布置5個(gè)土壓力盒監(jiān)測(cè)。由圖9可知，初支-圍巖間接觸壓力增長(zhǎng)可劃分為三個(gè)階段：下臺(tái)階開(kāi)挖前的快速增長(zhǎng)期，二襯施工前（9～18 d）的較快增長(zhǎng)期，二襯施工后的緩慢增長(zhǎng)期。圍巖壓力在中臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂和拱腰迅速增大，拱頂此時(shí)最大壓力值為0.391 MPa，占平穩(wěn)最大值的82.3%。因此，在中臺(tái)階開(kāi)挖階段要盡快施作拱部臨時(shí)支護(hù)，防止沉降速率過(guò)快。下臺(tái)階開(kāi)挖后，左右拱腳處圍巖壓力快速增長(zhǎng)，拱頂和拱腰處壓力由于圍巖初始應(yīng)力已大部分釋放，增長(zhǎng)速率較快。在二襯施作后，左右拱腰先快速減小后緩慢增大，這是二襯施作時(shí)拱腰部位圍巖持續(xù)變形受阻，待二襯施作完畢，拱頂部圍巖壓力持續(xù)增大，且拱頂增長(zhǎng)速率明顯大于拱腰，這表明對(duì)于淺埋隧道圍巖豎向應(yīng)力作用在拱頂處效果最明顯，左拱腰處圍巖壓力大于右拱腰是受地形偏壓作用影響。

4 隧道洞內(nèi)圍巖變形分析

隧道淺埋段洞內(nèi)圍巖變形監(jiān)測(cè)是研究圍巖變形規(guī)律的重要方法之一，選取隧道典型斷面1拱頂和拱腰及水平收斂測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，其累計(jì)變形量和變形速率如圖10所示。

由圖10可知，圍巖變形可分為四個(gè)階段：中臺(tái)階開(kāi)挖前的快速增長(zhǎng)階段，上臺(tái)階開(kāi)挖前的劇烈增長(zhǎng)階段、二襯施作前的較快增長(zhǎng)階段（9～18 d）以及二襯施作后的趨于穩(wěn)定階段。豎向最大變形速率和最大沉降值分別為4.21 mm/d和41.32 mm，水平收斂最大變形速率和收斂值分別為0.82 mm/d和11.41 mm，最大變形速率均處于中臺(tái)階開(kāi)挖后。最大變形速率超過(guò)變形范圍，因此在中臺(tái)階開(kāi)挖前應(yīng)調(diào)整支護(hù)方式，對(duì)拱部加強(qiáng)超前支護(hù)或調(diào)整拱架間距，控制圍巖變形在允許范圍內(nèi)。拱頂和拱腰處圍巖變形速率趨于一致，呈“M”型分布，在二襯施作

前變形速率基本保持不變，這表明采用三臺(tái)階臨時(shí)橫撐法開(kāi)挖對(duì)淺埋隧道圍巖水平向變形影響較小，但對(duì)圍巖豎向變形作用尤為明顯。這是因?yàn)槭芩淼缆裆钣绊?，掌子面開(kāi)挖后隧道成拱較為困難，且淺埋隧道自重應(yīng)力對(duì)圍巖變形影響明顯大于水平應(yīng)力。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）掌子面掘進(jìn)引起隧道縱軸向變形呈“S”型分布，其變形規(guī)律可分為穩(wěn)定變形階段、緩慢增長(zhǎng)階段和快速增長(zhǎng)階段。地表最大沉降值和沉降速率分別為37.9 mm和7.9 mm/d，需對(duì)洞內(nèi)掌子面和地表分別進(jìn)行注漿加固，地表沉降影響范圍為掌子面前方12 m。

（2）隧道橫向沉降曲線呈沉降槽分布，受開(kāi)挖方量和支護(hù)時(shí)間影響中臺(tái)階開(kāi)挖后對(duì)地層變形影響最大。

（3）隧道上側(cè)土層縱向水平位移和橫向水平位移最大變形位置均處于2.4～2.8 m，且隨觀測(cè)深度增大，其位移值先增后減。縱向水平位移影響超前范圍10～15 m，橫向水平位移影響范圍約10 m。

（4）圍巖壓力基本呈對(duì)稱分布，下臺(tái)階開(kāi)挖前為圍巖壓力釋放的主要階段，占最終值的81.2%。洞內(nèi)圍巖豎向變形明顯大于水平向變形，是受隧道埋深和豎向圍巖壓力共同作用所致。

（5）針對(duì)三臺(tái)階臨時(shí)橫撐法中臺(tái)階開(kāi)挖后圍巖變形及地表沉降較大問(wèn)題，可對(duì)掌子面地表前12 m范圍內(nèi)注漿，洞內(nèi)中臺(tái)階開(kāi)挖后加強(qiáng)超前支護(hù)，將初期支護(hù)采用非對(duì)稱支護(hù)對(duì)拱部進(jìn)行加固。

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