大跨浅埋黏土隧道围岩与支护受力分析

王希岩

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

1 工程概况

武咸城际铁路青龙山2#隧道位于武汉市江夏区境内，隧址地形地貌为剥蚀低丘，丘坡下接长江高阶地区，丘坡自然坡度30°左右，植被法育。隧道出口暗洞DK16 +300 ～+380 段地表为粉质黏土夹碎石，局部为人工填土，硬塑状，厚度27 ～30 m，黏性土具弱膨胀性，基底承载力为180 kPa;下伏石灰岩，弱分化，灰岩局部地段岩溶裂隙发育，基岩面起伏较大。隧道埋深3 ～17．5 m。

隧道按双线客专标准设计，采用复合式衬砌断面，初期支护采用I22b 钢架，0．5 m 一榀，锚喷28 cm厚C25 混凝土;二衬采用C35 钢筋混凝土，拱部及边墙厚55 cm，仰拱厚65cm。开挖采用“40 m 超前管棚+小导管注浆”超前支护，开挖断面为:最大跨度14．96 m，高度12．64 m，采用三台阶弧形导坑预留核心土开挖法施工。

2 围岩与支护受力监测概况

2．1 围岩与支护受力监测目的

围岩与支护衬砌作为一个统一的力学体系，从围岩与支护相互作用来看，围岩既是荷载又是支撑结构的重要组成部分，没有一个统一的数学模型来表达二者相互作用的关系，只能通过大量实测数据来分析二者相互作用的关系。针对本隧道的大跨浅埋黏土地层的特殊情况，为防止开挖过程中出现围岩与支护较大变形，为隧道围岩稳定性分析、动态设计和信息化施工提供科学依据。同时，作为工程运营时的监测手段，可对接近危险值区段提前采取补救措施，以保证工程安全运营。

2．2 围岩与受力监测项目及布置

青龙山2 号隧道监测项目包括:围岩压力，每断面布设7 个测点，每测点布设1 个元件;钢架内力，每断面布设5 测点，每测点布设4 个元件;锚杆轴力，每断面布设4 测点，每测点布设3 个元件;初支与二衬间接触压力，每断面布设7 个测点，每测点布设1 个元件;二次衬砌内力，每断面布设5 测点，每测点布设2 个元件;二衬钢筋应力，每断面布设5 测点，每测点布设2 个元件。围岩监测布置如图1 ～图5 所示。

图1 围岩压力测试土压力盒布置

图2 钢架内力测试应变计布置(工字钢)

3 测试频率

围岩与支护受力监测频率应根据测点与开挖面的距离及位移速率来确定，具体如下:监测项目埋设累计时间为1 ～15 d、16 ～30 d、30 ～90 d、＞90 d 对应的监测频率分别为:1 次/d、1 次/2 d、1 次/3 d、1 次/7 d。

图3 锚杆轴力测试钢筋计布置

图4 二次衬砌内力测试应变计布置

4 围岩与支护受力监测成果与分析

4．1 围岩与支护受力监测成果

按要求的测试频率做好测试记录及时进行整理，监测结果如图6 ～图11 所示。

图5 二次衬砌钢筋应力测试钢筋计布置

图6 围岩压力累计值时态曲线图

图7 左拱腰型钢内力累计值时态曲线图

4．2 监测成果分析

(1)监测至2011 年2 月15 日，DK16 +300 断面围岩与初支受力如下:围岩压力最大值167 kPa，左边墙围岩压力达到674 kPa;初支型钢主要承受压应力，量值在164 ～291 MPa 之间，左拱腰型钢内力达到404 MPa;该断面锚杆轴力极小，锚杆的受力状态于围岩压力、型钢内力状态不匹配。可见，全粘结型锚杆在硬塑粘土地层中的锚固效果不佳。总体上该断面围岩与初支结构受力处于偏高状态。

(2)根据监测数据偏高的结果，果断采取了以下处理措施:采用I22 型钢对上导、中导坑已开挖断面全面进行“八字形”临时支护，临时支护型钢与初支型钢连接采用双面焊接，并保证焊接质量。中导坑初支完成后，马上加设临时仰拱，临时仰拱采用I22 型钢，加网喷厚度为28 cm 厚C25 混凝土。加快二衬施工进度，缩短二衬与掌子面距离，确保施工安全。

图8 右边墙锚杆轴力累计值时态曲线图

图9 初支与二衬接触压力累计值时态曲线图

图10 左拱腰二衬混凝土应力累计值时态曲线图

(3)自2011 年2 月23 日二衬施工完成至2011 年4 月21 日，DK16 +300 断面二衬结构受力如下:初支与二衬间接触压力较小，一般不超过20 kPa;二衬混凝土应力主要以压应力为主(量值在0．6 ～2．1 MPa)，局部呈微拉状态;二衬钢筋内力主要以压应力为主，量值较小，压力不超过6．5 kN，局部呈微拉状态，与二衬混凝土受力基本一致。总体上该断面二衬结构受力较小，设计二衬结构安全，并有较大富余。

图11 左拱腰二衬钢筋内力累计值时态曲线图

5 结论

(1)对于大跨浅埋软弱围岩隧道进行围岩与支护受力监测很有必要，它为隧道围岩稳定性分析、动态设计、信息化施工及验证地下工程理论与研究提供科学依据，因此有重要意义。

(2)浅埋软弱围岩隧道大断面开挖会破坏围岩原有平衡，导致围岩失稳，围岩与支护结构受力变大，要控制开挖引起的应力重分布而不致使开挖空间失稳，就要选择暴露面积小，分块、分步开挖的方法，如:采用中隔壁法，单侧壁导坑法，双侧壁导坑法等。

(3)通过黏土地层全粘结型锚杆受力监测，锚杆锚固效果不佳，又由于拱部开挖高度较小，一般在黏土或松软地层中不应设计全粘结型径向锚杆加固。