浅埋黄土隧道初期支护侵限段的结构安全分析与应对措施

王君顺

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州　730000)



浅埋黄土隧道初期支护侵限段的结构安全分析与应对措施

王君顺

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州730000)

摘要:新建大头岘黄土隧道出口浅埋段地表为耕地，间歇性浇水和地表降水导致围岩土体抗剪强度降低，加之施工工序的不紧凑等原因引起初期支护下沉变形并侵入二次衬砌。本文应用有限元软件MIDAS/GTS对初期支护侵限段结构安全性进行了分析。依据分析结果，建议根据初期支护下沉侵限程度分别采取措施:对初期支护侵限≤5 cm且变形基本稳定段不做处理;对初期支护侵限≤10 cm且变形基本稳定段通过增强配筋进行处理;对初期支护侵限＞10 cm的段落宜进行换拱处理。这样可减小大面积换拱带来的安全风险，并节约投资。

关键词:隧道初支侵限结构安全处理措施

我国黄土地层分布广泛，随着国家基础建设力度的加大，黄土地区修建的隧道及其他地下工程不断增多。浅埋黄土隧道受其特殊的地质条件及施工不规范等因素影响，致使隧道施工时极易出现拱顶下沉、边墙下塌、喷射混凝土剥落，支护钢拱架扭曲变形，锁脚锚管扭曲，造成初期支护(简称初支)结构变形，侵入二次衬砌(简称二衬)结构。以往常规的处理方法是对侵限部位换拱，但对于浅埋黄土隧道而言，进行大面积的换拱安全风险大，易产生塌方。本文依托实际工程，对浅埋黄土铁路隧道施工中初期支护侵限问题进行研究，以期为类似工程的侵限处治进行指导。

1　工程概况

大头岘隧道位于甘肃省黄土梁峁丘陵区及沙沟高阶地，隧区内地形起伏较大，沟壑纵横，山体黄土覆盖。该隧道为中川至马家坪线重点控制工程，埋深为0～80 m，该隧道出口段( 170 m)下穿一耕地(为水浇地)，地形平坦，埋深12 m。衬砌结构形式如图1。

根据区域地质和综合勘察资料，隧道出口浅埋段地层岩性为砂质黄土，成分以粉粒为主，手搓砂感强，土质均匀，纯净，可见孔隙，局部可见少量白色钙质菌丝，稍湿～潮湿，疏松～稍密。围岩自稳能力及成洞条件差，易坍塌，围岩级别为Ⅴ级。

图1衬砌结构形式(单位: cm)

2初支下沉及地表开裂情况

2. 1初支下沉情况

隧道施工出口浅埋段时，隧道拱部及边墙部位发生不同程度的下沉，最大下沉发生在拱部(拱顶下沉侵限15 cm)，两侧边墙呈对称状发生下沉变形，侵入二次衬砌的限界(图2)，造成拱部及边墙部位喷射混凝土开裂，剥落掉块，局部钢拱架扭曲变形。

2. 2地表开裂情况

隧道内围岩与初支发生严重变形后，洞顶地表隧道中线两侧各出现1条与隧道中心线平行的纵向裂缝，最大裂缝宽度达15 cm。随着掌子面的开挖掘进，掌子面前方已有可见裂缝产生，且不断向前延伸发展，两条纵向裂缝间伴随着一些横向裂缝。由于拱顶的下沉，掌子面停工期间，在掌子面前方地表出现1条横向裂缝，与纵向裂缝连通，形成怀抱式横向裂缝。

图2侵限部位(单位: cm)

3初支侵限原因及结构安全分析

3. 1初支侵限原因

首先，浅埋黄土隧道开挖过程也是地层内应力重新分布的过程，开挖前土体处于天然应力平衡状态，开挖时隧道周边围岩失去原有支撑，除向洞内产生径向位移外，也会在开挖面产生较大的纵向位移。这种径向和纵向位移的共同作用改变了原有土体的应力平衡。应力的重新调整，使得掌子面周围一定范围内土体产生位移，引起围岩变形，致使初支下沉、地表沉降［1］。

其次，隧道出口浅埋段为耕地，其结构疏松～稍密，压缩性偏高，由于间歇性浇地及地表降水，在地表形成不同程度的径流，雨水渗入黄土孔隙中，软化土体，诱发围岩破坏。雨水渗入对隧道围岩稳定性的影响主要体现在两个方面:①结构。雨水渗入导致土体含水率增加，含水率的增加使得土粒间黏聚力下降，土体的抗剪强度降低，削弱了围岩的有效应力，极大地影响围岩的成拱能力。②荷载。雨水渗透集聚使得围岩重度增加，隧道结构所承受的围岩压力增大，使隧道支护结构失稳乃至初支变形侵限、局部坍塌。

再次，现场施工时施工单位只注重了开挖、支护进度，没有完全遵照新奥法中“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的施工原则，工序不紧凑，仰拱没有及时封闭成环，造成初支沉降［2-5］。

3. 2初支侵限结构安全分析

隧道浅埋段地表为常年水浇地，土质疏松，对初支侵限段落均按换拱处理的话，一方面不能保证节点工期且增加成本，另一方面大面积换拱存在隧道塌方的潜在风险。

1)计算参数及方法

计算所涉及的材料主要为岩土、支护结构。围岩级别为Ⅴ级，其物理力学指标及衬砌混凝土参数参照《铁路隧道设计规范》( TB 10003—2005)取值，见表1、表2。

表1围岩物理力学指标

表2衬砌混凝土参数

通过对已施工完的初支侵限段落的分类统计，二次衬砌厚度分别取45 cm(工况1)、40 cm(工况2)、35 cm(工况3)进行结构计算。利用有限元理论，衬砌结构计算以局部变形理论为基础，采用荷载—结构模型，应用破损阶段法，对构件截面强度及裂缝宽度进行验算。计算中采用梁单元模拟衬砌，用布置于各节点上的弹性连杆单元来模拟围岩与衬砌的相互约束，弹性连杆只承受压力，弹性连杆受压时的反力即为围岩对衬砌的反力。

2)安全性评价

参照《黄土隧道工程》［6］中“按竖向、水平围岩压力合力比算法，浅埋黄土隧道二次衬砌荷载分担比例在51%～53%之间，平均荷载分担比例约为50%”。本计算考虑浅埋，土柱厚度较厚，计算时隧道二次衬砌承担荷载取上层土柱竖向力的80%，计算结果用于衬砌配筋，对结构而言相对保守，实施后有利于结构安全。

利用有限元理论，衬砌结构按梁单元划分有限元网格，由于计算地面基本水平，衬砌结构受力具有对称性，其隧道衬砌结构内力计算结果见表3。

表3衬砌结构内力

根据规范，二次衬砌是承载主体，要求不允许出现较大的变形与开裂，二次衬砌配筋时要求最小安全系数＞2，最大裂缝宽度＜0. 2 mm。本文各工况计算结果见表4。

表4计算结果汇总

从表3、表4可以看出，衬砌结构拱顶受力最不利，且工况3安全系数不满足规范要求;采用荷载—结构法计算，在边界条件不变的前提下，衬砌结构受力变化甚小;在同样衬砌材料和配筋的情况下，衬砌结构同一部位的安全系数随着衬砌厚度的变小而减小，这一趋势主要体现在最大跨以上部位，最大跨以下部位影响较小;裂缝宽度随着衬砌厚度的变小而增大，主要体现在衬砌结构受力最不利的拱顶部位。

4　侵限段落工程处理措施

通过对衬砌结构的计算分析，以及对已施工完初支侵限段落的分类统计，分别采取以下工程措施:

1)初支侵限≤5 cm，即二衬厚度≥40 cm，变形收敛已基本稳定段，不做任何处理。

2)初支侵限≤10 cm，即二衬厚度≥35 cm，变形收敛已基本稳定段，通过增强配筋进行处理。经计算，当拱墙范围内主筋采用φ22钢筋，间距为125 mm时，衬砌结构安全系数及裂缝宽度均满足规范要求。

3)初支侵限＞10 cm，二衬厚度＜35 cm的段落宜进行换拱处理。具体方法如下。

①侵限换拱处理应遵循“加固先导、先撑后破、重在开口、严禁爆破”的原则［7-9］。

②对局部变形收敛未基本稳定的地段径向注浆，确保拆除安全和换拱后初支变形在可控范围之内。径向注浆采用φ42钢花管，长3. 5 m，间距1. 2 m× 1. 2 m，压注水灰比为0. 5∶1的水泥浆。

③凿除侵限段初支钢拱架时，对钢拱架两端节点各增加4根锁脚锚管对其锚固，锁脚锚管长4. 0 m，锚管内压注水灰比为0. 5∶1的水泥浆，注浆压力为0. 8～1. 5 MPa，锁脚锚管采用L形钢筋与钢架满焊。

④对于侵限的初支部分，首先在侵限钢架左右两侧25 cm处各设一榀I18型钢钢架套拱，钢架立在强度满足要求的仰拱上，确保套拱不下沉或滑动，钢架与初支表面空隙处用木楔或其他物品楔紧，以保证各备用钢架完全受力。

⑤在侵限钢架周围凿孔打散初支结构，再人工采用风镐进行开凿，尽量少采用破碎锤进行大面积扰动。将侵限部位初支凿除到设计位置(保证二衬厚度45 cm)，拆除变形钢架后，立即嵌入已预制成型的钢架并用长4. 0 m的锁脚锚管锚固。锁脚锚管、连接钢筋等施作完毕后，立即复喷C25混凝土至设计位置，待初支稳定后，方可拆除备用钢架。换拱钢架应自上而下分节施作，同时应特别注意锁脚锚管、纵向连接钢筋、墙脚垫块的施工质量。

⑥换拱采用逐榀更换，待前一榀整环初支完成后，才进行下一榀钢拱架的拆换工作。

⑦为保证施工安全，拆换钢架时应自上而下凿出原初期支护并扩挖至预留变形量不小于10 cm处，初喷4 cm厚C25混凝土，安装新拱架并及时施作锁脚锚管和纵向连接钢筋后复喷C25混凝土至设计厚度。新钢架材料、规格与原设计保持一致，锁脚锚管采用长4 m的φ42钢管，于钢架分节处每侧各设2根，纵向连接钢筋采用φ22钢筋，环向间距1 m。

⑧初支侵限段落的地表裂缝和陷穴采用原状土换填夯实，并在表层施作30 cm厚的二八灰土封层，以免地表水汇集下渗。

5　结语

1)浅埋黄土隧道初期支护下沉侵限的现象，是多种影响因素共同作用的结果。

2)隧道浅埋段原设计的初期支护与二次衬砌均符合规范要求，具有较高的安全储备。因此，一旦初期支护下沉侵限，不必盲目地进行大面积的换拱，可对侵限段落分类统计归整，通过衬砌结构受力分析，采取有针对性的工程处理措施。

3)浅埋段大面积换拱存在一定的安全风险。在保证衬砌结构安全系数和裂缝宽度满足要求的前提下，初期支护下沉侵限≤10 cm，即二次衬砌厚度≥35 cm时，通过加强衬砌配筋，可以对初期支护下沉侵限段不进行换拱处理。

该隧道现已通车运营，采取文中的措施原则和方法既保证了工期，节约了投资，还减小了大面积换拱带来的安全风险。

参考文献

［1］熊岚，谢涛．隧道初期支护侵限段的结构安全性分析［J］．施工技术，2011( 9) : 98-100．

［2］辛国平．公路黄土隧道初期支护结构侵限原因浅析［J］．现代隧道技术，2009( 6) : 33-37．

［3］宋立海．隧道初期支护侵限处理施工技术［J］．国防交通工程与技术，2014( 4) : 77-80．

［4］铁道部第二勘测设计院．铁路工程设计手册(隧道)［M］．北京:中国铁道出版社，1995．

［5］张伟，刘艳青．福川隧道初期支护变形原因分析及处理［J］．铁道建筑，2013( 3) : 66-68．

［6］赵勇，李国良，喻渝．黄土隧道工程［M］．北京:中国铁道出版社，2011．

［7］杨维，张剑，侯小红．马垭口隧道变形换拱施工方案研究［J］．交通标准化，2010( 20) : 125-128．

［8］朱义嘉．浅析隧道变形的处治和预防措施［J］．西部探矿工程，2008( 11) : 205-206．

［9］王西宁．隧道初期支护侵限处理［J］．四川建筑，2006( 12) : 78-79．

(责任审编葛全红)

Analysis of lining safety in clearance invaded by primary support section and its countermeasure for shallow buried tunnel in loess stratum

WANG Junshun

( Lanzhou Railway Survey and Design Institute Co．，Ltd．，Lanzhou Gansu 730000，China)

Abstract:T he shallow buried section at the exit of the newly-built Datouxian loess tunnel is covered by cultivated land，therefore rainfall and interim irrigation weaken the shear strength of the soil mass．At the same time，the inconsistent construction procedure and other factors at play contribute to the settlement and deformation of the primary support，which further invades into the secondary lining．In this light，the paper introduces the finite-element software M IDAS/GT S in the reliability analysis of the infringed section．T he results point out that differentiated measures need to be applied in accordance with the settlement and clearance invasion occurred．For 5 cm or less clearance invasion，whose deformation has reached a stable stage，no treatment measure is needed; for 10 cm or less clearance invasion，whose deformation has too reached a stable stage，better reinforcement is suggested; and for more than 10 cm clearance invasion，arch replacement shall be performed．T he differentiated approach reduces the risks in large-scale arch replacement and helps cut investment．

Key words:T unnel; Clearance invaded by primary support; Structural safety; Countermeasure

作者简介:王君顺( 1983—)，男，工程师，硕士。

收稿日期:2015-09-10;修回日期: 2015-11-20

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0069-04

中图分类号:U455

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．17