软土地区浅埋暗挖大断面隧道拱顶沉降实测分析

魏 纲， 姚王晶， 许 斌， 石长江， 傅 翼， 王 哲，*

(1. 浙江大学城市学院土木工程系， 浙江 杭州 310015； 2. 浙江工业大学岩土工程研究所， 浙江 杭州 310014；3. 中国建筑西南勘察设计研究院有限公司杭州分公司， 浙江 杭州 310015； 4. 杭州市城市建设投资集团有限公司， 浙江 杭州 310002)

0 引言

浅埋暗挖隧道的初期支护一般为柔性支护，相对于盾构隧道的管片衬砌而言，柔性支护的隧道变形更加明显[1]。隧道的变形直接反映隧道开挖后洞内的稳定性，开挖后初期支护变形过快、变形量过大，是隧道洞内发生坍塌的前兆[2]。而隧道开挖后变形(拱顶沉降、周边收敛)过大，也会导致初期支护变形超过警戒值，影响二次衬砌的施工[3]。因此,在浅埋暗挖隧道施工过程中，对隧道洞内变形规律的分析具有重要意义。

目前针对隧道洞内变形规律的研究，在南方软黏土地区，关于盾构法隧道洞内变形规律研究较多[4-6]； 在北方的黄土与粉质黏土地区，对浅埋暗挖法隧道洞内变形规律研究较多。大断面隧道在粉土与黄土中采用浅埋暗挖法开挖时，拱顶沉降量一般为几十mm[7-9]； 而大断面隧道在南方软土中采用浅埋暗挖法开挖时，拱顶沉降量往往达到上百甚至几百mm。厦门翔安大断面浅埋软土隧道采用CRD法开挖时，产生的平均拱顶沉降达192 mm，出口浅埋段部分拱顶沉降达450 mm左右[10-11]; 深圳地铁1期3A标国老区段采用浅埋暗挖法开挖时，沉降量也达到200 mm[12]； 深圳地铁1期第6标段采用浅埋暗挖法开挖时，沉降量达到200 mm[13]。在现有实测分析中,针对城市软土地区大断面浅埋暗挖隧道的分析较少，且缺乏对此类隧道土质条件、开挖工法、环境变化等单因素的实测比较分析，因此需对该类隧道作进一步研究。

杭州市紫之隧道第1标段工程浅埋暗挖段双线隧道位于软土地区，工程地质条件较为复杂，分别采用CRD工法、四台阶法及上台阶中隔壁法开挖。通过对实测的隧道变形进行分析，重点研究淤泥质软土中隧道的拱顶沉降、周边收敛和仰拱隆起的变化规律，分析降雨、施工工法以及土质条件等单因素对拱顶沉降的影响。

1 现场监测

1.1 工程概况

杭州市紫之隧道(紫金港路—之江路)工程南起之浦路，北至紫金港路，道路南北端各设1对匝道，线路全长14.4 km，是杭州市“四纵五横”快速网络的重要一纵，也是全国最长的城市隧道群。其中，紫之隧道第1标段浅埋暗挖段西线里程范围为 K0+792～K1+530，长738 m，南段连接明挖基坑，北段连接山体隧道。

1.2 工程地质条件

隧道K0+792～+860段为钱塘江冲海积平原地貌，上部有回填土； K0+860～ K1+440段属湖沼积平原地貌，下部以湖沼积形成的淤泥质粉质黏土为主，上部为回填土。

1)紫之隧道1号标段浅埋暗挖段各土层地质条件描述如下：

①-1杂填土，无层理，质不均。

①-2素填土，无层理，质不均。

②-1粉质黏土，软可塑，干强度中等。

③ 淤泥质粉质黏土，流塑，饱和； 黏塑性好，均一性好，含少量腐植物碎屑和黑色有机质斑点; 韧性高，干强度高。

⑤ 淤泥质粉质黏土，流塑，饱和，含少量有机质，下部夹有少量粉土薄层； 韧性中等，干强度高。

⑥ 含黏性土碎石，稍密实—中密实，湿，碎石含量为50%～60%，碎石直径为2～5 cm。

〈12〉-2强风化泥质粉砂岩，粉砂结构，中厚构造层，泥质胶结，矿物风化蚀变明显，节理裂隙较发育，岩芯以碎块状为主，岩质软，锤击易碎。

〈12〉-3 中风化泥质粉砂岩， 粉砂结构，中厚层构造，泥质胶结，局部夹有粉砂质泥岩，节理裂隙较发育，岩芯以柱状、长柱状为主，岩质软，锤击易碎，易风化，遇水软化，岩石质量指标RQD=65%～85%，岩体完整性一般。

〈15〉-1 全风化玄武玢岩，斑状结构，矿物分化剧烈，岩芯呈可塑状粉质黏土，刀可切开，原岩基本结构破坏，原岩结构不清晰。

〈15〉-2 强风化玄武玢岩，斑状结构，块状构造，矿物风化蚀变明显，节理裂隙较发育，岩芯以碎块为主，岩质较硬，锤击可碎。

〈15〉-3 中风化玄武玢岩，斑状结构，基质交织结构，块状构造，节理裂隙稍发育，岩芯以柱状为主，柱长10～30 cm，柱体表面较光滑，偶见夹宽度5 mm石英细脉，岩质坚硬，锤击不易碎。

2)水文地质条件如下：

全新统冲海积成因粉土松散岩类孔隙潜水含水层组主要分布于K0+792～+860段，含水层介质由粉砂土、粉砂组成，属于弱透水系，水量较丰富，民井出水量一般为20～50 m3。孔隙潜水受大气降水竖向入渗补给及地表水体下渗补给为主，与河塘有侧向互为补给关系，径流缓慢，以蒸发排泄和向附近河塘侧向径流排泄为主，水位随季节气候动态变化明显。

更新统洪积、冲洪积黏性土夹碎石松散岩类孔隙潜水含水层组主要分布于K0+860～K1+530段，为丘陵山麓地带，含水层介质有含碎石、砾石粉质黏土、含黏性土碎石，土体呈中密实状态，渗透性差，水量贫乏。水位动态变化较大，雨季水位较高，旱季水位较低，水位年变幅为1～3 m。

西线K0+843～K1+083段的纵向地质剖面见图1，各土层的物理力学指标见表1，各岩层的物理力学指标见表2。

表2岩层物理力学性质指标

Table 2 Index of physico-mechanical properties of rock layers

层号岩层名称地基土承载力特征值/kPa土、石等级围岩等级<12>-2强风化泥质粉砂岩180ⅢⅤ<12>-3中风化泥质粉砂岩350ⅣⅣ<15>-1全风化玄武玢岩180ⅢⅤ<15>-2强风化玄武玢岩280ⅢⅤ<15>-3中风化玄武玢岩1 000ⅣⅣ

1.3 隧道设计和施工方案

本文研究对象为紫之隧道第1标段浅埋暗挖段，为双线隧道(见图2)，进洞口隧道轴线埋深12.8 m，高度为9.7 m，双线隧道的中轴线间距为20 m，净距为7.2 m。隧道呈椭圆形，等效面积约为 89.5 m2，隧道等效半径约为5.4 m。实际工程中采用CRD工法、四台阶法、上台阶中隔壁法进行施工，具体施工步骤与文献[14]提到的施工步骤类似，四台阶法与三台阶七部法相似； 上台阶中隔壁法相比于临时仰拱台阶法，不保留核心土而增加竖向支撑。

图2 隧道进洞口横断面示意 (单位： mm)Fig. 2 Sketch of cross-section of tunnel entrance (unit: mm)

紫之隧道第1标段浅埋暗挖段施工工序为： 1) 隧道在地质较复杂地段采用超前地质钻探进行地质预报； 2) 对开挖区域进行超前支护，有超前大管棚+单排超前小导管+全断面注浆和φ42 mm×4 mm双层超前注浆小导管@30 cm(同一断面上导管之间的间距)×300 cm(断面间隔距离)、l=450 cm(注浆导管长度)2种形式。管棚为φ108 mm热轧无缝钢管，壁厚6 mm，节长4～6 m，接头用长15 cm的丝扣直接对口连接，管棚中增设由4根φ22 mm主筋和固定环组成环向间距为30 cm的钢筋笼。

实际开挖中，西线K0+792～K1+043段采用CRD工法，K1+043～+073段采用四台阶法，其余采用上台阶中隔壁法开挖。淤泥质黏土段采用CRD工法开挖时，地表采用高压旋喷桩加固，桩长16 m，穿过杂填土层、素填土层和粉质黏土层，进入淤泥质黏土层。隧道边线及中轴线采用φ600 mm旋喷桩@600 mm密切相排； 隧道边线以内采用φ600 mm旋喷桩@800 mm×900 mm梅花桩布置； 隧道边线以外采用φ600 mm旋喷桩@800 mm×900 mm矩形布置。上台阶中隔壁法施工见图3，CRD工法施工见图4。

图3 隧道洞内上台阶中隔壁法施工

Fig. 3 Construction of intermediate diaphragm method for top heading

图4 隧道CRD工法施工Fig. 4 Construction of CRD method

1.4 隧道监测项目及测点布置

CRD工法隧道洞内监测点布置示意见图5。由图5可知，CRD工法开挖时隧道洞内每个断面布置： 1)拱顶测点J1、J2(在每个导洞掌子面自上而下开挖，焊接钢拱架，喷射混凝土后立即布置，布置于喷射混凝土上)； 2)隧道1部、2部分别布置三角形收敛变形监测线S1-2、S1-3、S2-3(在1部掌子面开挖至拱腰位置时立即布置，点1为拱顶点，点2布置在竖向支撑上，点3布置于对应拱腰位置的喷射混凝土上)和S4-5、S4-6、S5-6，3部、4部布置收敛监测点S7-8、S8-9； 3) 拱顶拱腰差监测点G1-2、G2-5。

四台阶法与上台阶中隔壁法隧道洞内监测点布置示意见图6。由图6可知，四台阶法与上台阶中隔壁法开挖时隧道洞内断面布置： 1)拱顶测点J1、J2； 2)三角形收敛变形监测点S1-3、S2-4、S3-4； 3)拱顶拱腰差监测点G1-2、G2-5。

拱顶沉降与仰拱隆起采用精确水准仪测量测点与不动点的绝对位移，周边收敛采用收敛计进行测量。拱顶沉降、周边收敛与仰拱隆起的监测频率在前15 d为1次/d，如果沉降趋于稳定，15 d后改为1次/2 d。拱顶沉降警戒值为20 mm，警戒速率为2 mm/d； 周边收敛警戒值为20 mm，警戒速率为2 mm/d； 仰拱隆起警戒值为25 mm，警戒速率为2 mm/d。

图5 CRD工法隧道洞内监测点布置示意

Fig. 5 Layout of monitoring points in tunnel constructed by CRD method

图6四台阶法与上台阶中隔壁法隧道洞内监测点布置示意

Fig. 6 Layout of monitoring points in tunnel constructed by 4-bench method and intermediate diaphragm method for top heading

2 围岩实测变形规律分析

2.1 淤泥质黏土段隧道变形规律

1)西线K0+877～+887段拱顶沉降随时间变化曲线见图7(图7中正值代表沉降，负值代表隆起，下同)。该段属于淤泥质黏土段，采用CRD工法开挖，测点为图5中拱顶沉降点J1。K0+877处1部的拱顶沉降监测点于2015年1月17日布置(监测点布置当日为读数零点，下同)，初期支护在2～3 d后封闭； K0+882处1部的拱顶沉降监测点于1月20日布置，初期支护在2～3 d后封闭； K0+887处1部的拱顶沉降监测点于1月28日布置，初期支护在2～3 d后封闭。

图7 K0+877～ +887段拱顶沉降随时间变化曲线图(2015年)

Fig. 7 Time-history curves of crown top settlement at section K0+877～+887 (in 2015)

由图7可知： K0+877、K0+882、K0+887处的拱顶最终沉降值分别为122.16、146.63、115.83 mm，均远超警戒值(20 mm)； 沉降持续时间为20 d左右。这是因为在监测点布置前，隧道拱顶已经产生了较大的超前沉降，而这部分沉降未被监测到[15]，所以实际沉降会大于所测得的沉降。

2)K0+872与K0+877断面拱腰处收敛随时间变化曲线见图8(图中正值代表收敛，负值代表扩张)。K0+872处1部收敛监测点于1月12日布置，初期支护在1～2 d后封闭，2部周边收敛监测点于1月20日布置，初期支护在1～2 d后封闭； K0+877处1部收敛监测点于1月17日布置，初期支护在1～2 d后封闭，2部周边收敛监测点于1月23日布置，初期支护在1～2 d后封闭。

图8 K0+872～+877段拱腰处收敛随时间变化曲线图(2015年)

Fig. 8 Time-history curves of haunch convergence at section K0+872～+877 (in 2015)

由图8可知： K0+872与K0+877处的1部开挖后拱腰最终收敛的变化规律为先收缩，初期支护封闭后又扩张，二部开挖后又收缩。这说明隧道不仅发生了收缩，在收缩后隧道形状又发生了椭圆化的变形。有一个测点的最大值超过了警戒值(20 mm)，说明隧道发生的椭圆化变形比较明显。

3)K0+870～+880段的拱顶沉降随时间变化曲线见图9。由图9可知： 仰拱隆起的监测点于初期支护仰拱闭合后布置，在4月20日之前，仰拱隆起的监测点数据变化不明显，K0+870处还有略微隆起； 而在4月20日和5月20日左右，仰拱开始产生沉降，至9月6日分别产生43.43、37.43 mm沉降，均超过警戒值(25 mm)。此外，2015年4月20日左右，K0+870处二次衬砌完成； 5月20日左右，K0+880处二次衬砌完成，二次衬砌上布置的收敛监测点显示，二次衬砌几乎不产生收敛。从监测数据中可以推断出，二次衬砌完成后，隧道还产生了较大的整体沉降，其原因是： 由于隧道处于淤泥质粉质黏土层中，对应隧道基底承载力不足，导致隧道整体下沉。建议在对隧道进行高压旋喷桩超前加固时，应加深桩体的长度，使隧道下部区域的淤泥质粉质黏土也得到加固，增强隧道基底的地基承载力，减小整体沉降。

与厦门翔安隧道[10]拱顶沉降和拱腰收敛实测值进行比较(该隧道围岩等级稍高，但地下水丰富)可知，紫之隧道工程的拱顶沉降值与其较为接近，但其拱腰收敛值较大且为扩张，而紫之隧道拱腰收敛值较小且为收敛。与刘诚等[16]研究的在宁波土质条件较好的粉质黏土中的隧道相比，翔安隧道拱顶沉降明显较小，而紫之隧道的拱顶沉降值则较大。

2.2 拆撑后拱顶沉降增量的变化

西线K0+872～+887段的拱顶沉降随时间变化曲线见图10。由图10可知： K0+872、K0+877、K0+882、K0+887处所产生的最大拱顶沉降依次为137.94、122.16、146.63、115.83 mm。

图9 K0+870～ +880段仰拱隆起随时间变化曲线图(2015年)

Fig. 9 Time-history curves of inverted arch settlement at section K0+870～+880 (in 2015)

图10 K0+872～+887段拱顶沉降随时间变化曲线图(2015年)

Fig. 10 Time-history curves of crown top settlement at section K0+872～+887 (in 2015)

采用CRD工法开挖，初期支护达到稳定后，要拆除临时仰拱与纵向支撑，临时仰拱与纵向支撑拆除后，隧道拱顶又会产生一定程度的沉降。西线K0+872～+887段拆撑后拱顶沉降增量随时间变化曲线见图11。由图11可知： 拆撑后拱顶沉降增量的最大值分别为27.14、22.13、21.12、19.16 mm，拆撑后拱顶沉降增量占总拱顶沉降的14.63%，该部分沉降较大； 拱顶拆撑所产生的沉降持续了40 d左右，稳定所需的时间也较长。因此，在拆撑后需要注意隧道的稳定，当变化速率过快时，需要减缓拆撑速度，防止初期支护超过警戒线，影响二次衬砌施作； 二次衬砌也不能在拆撑后立即施作，需要通过拱顶沉降监测数据的稳定性判断是否适合施作。

与张建国等[17]实测的厦门翔安隧道陆路段拱顶拆撑引起的拱顶沉降相比，紫之隧道拱顶拆撑引起沉降占总沉降的比例明显偏大。这是由于此段隧道开挖处于淤泥质黏土中，相比厦门翔安隧道土质更差，当临时支撑拆除后，初期支护与周边土体的平衡被打破，而周边土体自稳性差，所以对初期支护产生了较大的压力，使初期支护再次产生变形，引起较大的拱顶沉降。

图11 K0+872～+887段拆撑后拱顶沉降增量随时间变化曲线图(2015年)

Fig. 11 Time-history curves of crown top settlement increment at section K0+872～+887 after support dismantling (in 2015)

2.3 降雨对拱顶沉降的影响

2015年2月19日至3月8日天气情况见表3，由表3可知，除2 d未下雨外，其余16 d都出现降雨。降雨对拱顶沉降会产生较大影响，在持续降雨、隧道开挖所在土层土质条件较差的情况下，会导致土体强度下降、上覆荷载增加，初期支护所承受的压力达到极限，从而使支护失稳，导致拱顶沉降发生突变。如果不及时加固，就有可能导致坍塌。

表3 K0+902～ +922段开挖时天气情况

Table 3 Weather conditions when excavating section K0+902～+922

天气持续时间/d小雨9中雨4大雨1中雪2

1)K0+902～+922段拱顶沉降随时间变化曲线见图12，初期支护一般于开挖后3 d内封闭。由图12可知： 由于降雨影响，K0+907、K0+912处的拱顶沉降速率随时间的变化并没有减缓，K0+917处拱顶沉降速率在3月5日左右更有增大的趋势，而K0+922处监测点布置当日就产生了突变沉降，突变量为67.27 mm。从现场情况分析，导致拱顶沉降发生突变的原因为： ①由于上部土体为杂填土，渗透系数大，雨水渗入土体使土体增重，隧道上部荷载增加，导致超载； ②连续的降雨使现场洞内的渗水量增大，说明土体中水的渗透力增大，使土体的强度进一步降低。

2)K1+132～+141段拱顶沉降随时间变化曲线见图13。由图13可知： 在11月17日与11月18日隧道所在区域发生了大规模降雨，K1+132～+141段在11月17日至18日拱顶沉降也产生了突变，且突变量很大，达到146.01 mm。主要原因是： ①此段隧道开挖土层为强风化泥质粉砂岩，而上部土体为杂填土，当降雨量较大时，上部土体由于雨水渗入导致重度增大，从而增大了上覆荷载，使隧道初期支护受到的压力增大； ②雨水渗透时的渗流力也会使隧道初期支护受到的压力增大； ③水能很快渗入至强风化泥质粉砂岩，而强风化泥质粉砂岩被水浸泡后会软化，使弹性模量减小，导致开挖层土体强度降低。上述原因的共同作用导致了拱顶沉降产生突变。

图12 K0+902～+922拱顶沉降随时间变化曲线图(2015年)

Fig. 12 Time-histoy curves of crown top settlement increment at section K0+902～+922 (in 2015)

Fig. 13 Time-history curves of crown top settlement increment at section K1+132～+141 (in 2015)

值得注意的是，当拱顶沉降产生突变时，从洞内观察到渗水情况比较严重，且积水增多。因此，浅埋暗挖隧道施工过程中，当洞内积水增多时，要加强隧道变形的监测，防止隧道失稳坍塌。必要时，需要在地表设置降水井，降低地下水位，减小围岩和初期支护受到的压力。在设置初期支护时，应适当增加锁腰锚杆、锁脚锚杆的数量，减小钢拱架之间的距离以增强初期支护的强度。

2.4 施工工法及土质对拱顶沉降的影响

1)K0+985～K1+042段最终拱顶沉降值随测点里程变化见图14。由图14可知： ①当采用CRD工法在淤泥质黏土层中开挖时，拱顶沉降为140～160 mm； ②当掌子面下部逐渐出现含黏性土碎石层时，拱顶沉降减小至110～120 mm； ③当隧道掌子面上部逐渐由淤泥质黏土层变为含黏性碎石层，下部逐渐由含黏性碎石变为强风化泥质粉砂岩时，沉降进一步减小至70～80 mm； ④当掌子面上部淤泥质黏土基本消失，断面以强风化泥质粉砂岩为主时，沉降减小至20～30 mm。CRD工法在淤泥质黏土层中开挖所引起的拱顶沉降平均值，约为强风化泥质粉砂岩中的6.5倍。

由监测结果可知，隧道开挖过程中，土体强度对拱顶沉降的影响很大。即使土质条件变好，也要适当调整超前加固方法、开挖工法以及支护手段，在保证安全的情况下，使工程进度得到加快。

图14 K0+985～K1+042段拱顶沉降最终值图Fig. 14 Final crown top settlement at section K0+985～K1+042

2)K1+021～+087段最终拱顶沉降值随测点里程变化见图15。由图15可知： ①施工工法改为四台阶法后，拱顶沉降增大至130～180 mm； ②施工工法改为上台阶中隔壁法后，拱顶沉降又减小至100～120 mm。在强风化泥质粉砂岩中，CRD工法、四台阶法、上台阶中隔壁法引起拱顶沉降平均值大小的比例约为1∶5.1∶3.59。

图15 K1+021～+087段拱顶沉降最终值图Fig. 15 Final crown top settlement at section K1+021～+087

由图14和图15示出的拱顶沉降量最终值可以看出： ①施工方法相同时，不同土质条件对拱顶沉降影响较大，在淤泥质软土中开挖时，采用CRD工法依旧产生了较大的拱顶沉降，当掌子面完全穿过淤泥质黏土层后，沉降明显减小； ②工法改为四台阶法后，拱顶沉降突然增大，说明CRD工法中的分块开挖、竖向支撑、临时仰拱减小拱顶沉降的作用十分明显； ③采用四台阶法优化后的上台阶中隔壁法，也在一定程度上减小了拱顶沉降，但相对于CRD工法，沉降仍然偏大。因此，在软岩中开挖时，如果对隧道变形控制要求较高，宜采用CRD工法开挖。

综上所述，在强风化泥质粉砂岩中开挖，采用CRD工法开挖产生的拱顶沉降较小，但工序复杂、掘进速度慢； 四台阶法虽然工序简单，理论上掘进速度快，但由于产生的沉降过大，一定程度上影响了掘进的速度和安全性。综合两者的优劣，上台阶中隔壁法一定程度上减少了施工的工序，加快了掘进进度，减小了拱顶沉降，加强了开挖的安全性。

3 结论与建议

1) CRD工法在淤泥质黏土中测得的拱顶沉降较大，并且隧道在收敛过程中产生了椭圆化变形； 二次衬砌完成后，隧道产生了整体沉降变形，建议隧道进行高压旋喷桩超前加固时，应加固至隧道基底下方； 初期支护拆撑也会产生较大沉降，且沉降持续时间较长，因此有必要对拆撑段进行监测； 二次衬砌的施作时间也要结合监测数据合理进行。

2) 降雨会使上部土体超载，且雨水渗透、浸泡开挖面土层会使土层强度降低，从而导致初期支护变形加大，拱顶沉降产生突变。洞内渗水积水增加时，要加强隧道变形监测，在设置初期支护时，应适当增加锁腰锚杆、锁脚锚杆的数量，减小钢拱架之间的距离，以增强初期支护的强度，做到“强支护、快封闭、勤量测”。

3) 采用CRD工法在淤泥质黏土中引起的拱顶沉降平均值为强风化泥质粉砂岩中的6.5倍； CRD工法在淤泥质黏土中开挖与四台阶法在强风化泥质粉砂岩中开挖所引起的拱顶沉降都较大； 在强风化泥质粉砂岩中，CRD工法、四台阶法、上台阶中隔壁法引起拱顶沉降平均值的比例为1∶5.1∶3.59。如果对隧道变形控制要求较高，宜采用CRD工法开挖。

4) 在强风化泥质粉砂岩中采用的工法仍有改进的空间，拱顶沉降的数据采用理论公式较难准确地拟合。在接下来的研究中，建议采用有限元模拟，结合本工程实测数据以及与本工况较接近工程的实测数据，提出合理的参数，进行拱顶沉降的预测，对隧道整体沉降产生的原因和后果以及对地表沉降的影响作进一步分析。