富水黏土层浅埋隧道围岩变形规律研究

■ 中铁十八局集团建筑安装工程有限公司 邓黎

1.工程概况

某暗挖隧道区间为双洞单线结构，最小埋深约为10.5m，设计采用矿山法施工，支护结构为复合式衬砌结构：以锚杆、钢筋网、喷射混凝土为初期支护，并辅以注浆小导管作为超前支护和型钢钢架加强支护，以模筑钢筋混凝土为二次衬砌。初期支护与二次衬砌间设环向闭合型防水隔离层。

根据现场地质勘测，隧道左线ZDK15+ 728～ ZDK15+758段通过富水软弱黏土地层，上覆土层较薄，土体埋深约为11m；表层土层主要为杂填土或可塑黏土，土质松软，自稳性极差，遇水膨胀，失水后易造成超固结，引起较大沉降；施工支护段掌子面拱顶为可塑至软塑状黏土，在有渗漏水的情况下围岩稳定性极差，拱部无支护时，可产生较大的坍塌；底板基岩溶蚀风化严重，岩体受裂隙切割成块状，发育溶洞，承载力低，需进行地基处理；且隧区地下水位较高，补给丰富，富水性较强，围岩稳定性差。

隧道力学理论认为，浅埋暗挖隧道上覆地层已无自承载能力，荷载应全部由隧道结构来承担。但实践表明，不仅土层，即使是干砂地层仍能形成自然载拱。对于富水黏土层，由于埋深浅，周围地层土体松散软弱、粘结性强，隧道开挖扰动后，引起隧道周边土体松弛变形，围岩变形收缩明显，极易出现潜在坍滑区，时常发生支护体系大变形等工程问题，难以控制，如图1所示。

图1 现场支护结构大变形

为有效地预防与减少施工引发的地层沉降变形，降低对周围环境的损害程度，亟须对此类软弱围岩的相关特性展开研究。本文在长期现场工作的基础上，利用振弦式应力应变采集设备结合常规监测项目，为设计及施工提供技术参数，且为以后类似工程的建设积累实践经验。

2.监测方案

2.1 现场监测内容

为及时掌握富水黏土地层隧道开挖地层变形趋势和支护结构围岩受力状态、多方面评价支护措施的合理性、确保施工过程的安全稳定，根据隧道结构特点拟定监测的内容和方法，其中包括地表沉降、拱顶下沉、净空收敛、围岩压力、钢拱架支撑应变等方面，对隧道施工中的关键部分进行跟踪监测[1]。

2.2 监测规划布置

图2 隧道初期支护监测断面传感器布置图

为确保地铁隧道施工的安全稳定，拟在左线隧道（ZDK15+728～ZDK15+758）30 m处选择多个监测断面预埋测试元件进行现场试验，其中，每个断面布置一个地表沉降监测点，洞内设置1个拱顶下沉点和2条水平测线，其余围岩接触应力、型钢拱架应变测试元件埋设于拱顶、拱肩、拱脚、仰拱4个关键位置，测试断面监测点现场布设如图2所示。测试元件采用振弦式传感器，其构造简单、受外界影响小、易于防潮，便于远距离多点同时长期观测，在隧道及地下工程现场测试和监测中得到广泛应用[2]-[3]。

3.监测结果分析

3.1 隧道地层沉降变形特征

由于选取试验段地质条件和埋深基本相同，变形规律一致，选取断面ZDK15+738进行具体分析，断面地表及拱顶沉降历时曲线详见图3，沉降速率变化曲线如图4。

在该监测断面，由于开挖引起的地层损失、失水固结、应力释放和地层加固相互协调作用，在隧道支护和围岩共同变形的作用下，拱顶下沉和地表沉降都较大，地层总体变形大。拱顶沉降累计沉降量到达-45.39mm，因监测点布设于拱架安装完成并喷射混凝土之后，此时初期支护已经发生一定变形，因此实际拱顶沉降大于-45.39mm，有必要对初期支护进行加固控制。如图3、图4所示，每一次施工工序转换衔接拱顶沉降均发生一次急剧下沉跳跃分别，为开挖后第1天、第4天、第8～9天，此时间段施工工序分别为：上台阶开挖、下台阶左、右侧开挖及支护，尤其是上台阶完成后，拱顶下沉有一个骤然下降，约-4.83mm/d，下台阶及仰拱施工则没有那么明显，收敛速率也到达-3.77mm/d。这是由于上台阶施工完成，拱架拱脚基底软弱、承载力不够，因此发生较大量值沉降，随着工序逐步完成，拱架闭合成环，这种扰动影响逐渐降低，经过大约28 天，拱顶累计沉降值基本趋于稳定。

图3 ZDK15+738断面地表及拱顶沉降历时曲线

图4 ZDK15+738断面地表及拱顶沉降速率变化曲线

3.2 支护结构受力分析

传感器埋设完毕后，根据相应计算公式将传感器测试频率转换为围岩应力与拱架应变，然后按照围岩受力及型钢混凝土内力计算原理，计算获得围岩接触应力与钢拱架内、外环应力时态变化曲线，如图5～图7所示（图中负值表示受拉，正值表示受压）。

通过整理断面ZDK15+738测试元件数据显示，数据基本稳定，未出现异常离散性，说明传感器采集数值稳定可靠。隧道开挖后围岩压力与型钢拱架内外环应力整体呈现开始增速较快，后期变化相对较小直至趋于稳定的相同变化特点，这是由于初支混凝土强度逐渐形成，断面东西侧下导及仰拱分部顺序施工，断面逐步闭合使围岩变形受到约束，支护结构逐渐形成整体，抵抗变形能力得到加强，闭合成环之后受扰动围岩强度的逐渐恢复，围岩“拱效应”得到充分发挥，压力逐渐稳定的结果。不同的是，钢拱架应变在开始期间变化较明显，很快达到稳定状态，这是由于在架立拱架初始，混凝土强度尚未完全形成，拱架与初支混凝土衬砌之间要达到变形协调内部需要一个互相调整的过程，在混凝土未完全发挥作用之前，围岩压力主要由型钢拱架承担，因此初期支护结构架立之后短时间内拱架应力值变化明显，很快达到高值，同时也说明了钢拱架对于提高隧道支护结构前期稳定性具有重要意义。从整个支护体系受力来看，型钢拱架所受应力较大，架立初期承受了围岩较大的荷载，对提高初期支护的整体强度起到了很好的支护效果。

图5 围岩接触应力变化图

图6 钢拱架内环应力变化图

图7 钢拱架外环应力随时间变化图

4.支护结构内力计算

隧道支护体系作为整体结构，如果仅以受力状态绝对值作为评价处于复杂应力条件下衬砌结构稳定性是不够完善的，因此，有必要将衬砌结构所受的轴力及弯矩换算成安全系数，同时结合隧道地层的变形特征综合评价衬砌的支护效果。安全系数的计算方法结合《铁路隧道设计规范TB10003-2005》，为了方便分析问题，依然选取断面ZDK15+738截面进行受力分析。截面内力计算模型如图8所示。

根据钢拱架内外缘各点稳定后应变，计算截面轴力和弯矩，大致绘制出轴力和弯矩图，如图9～图10所示。

根据支护结构内力计算结果可知，断面初期支护主要承受轴向压力，所受弯矩相对较小，因此，只需对截面各位置轴力进行强度校核，验算结构承载是否满足要求。结合《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138-2001）[4]中初期支护截面型钢混凝土构件偏心受压计算公式，对正截面承载力进行强度校核，验算结构承载力是否满足要求，并计算截面各位置轴力的安全系数，对隧道初期支护稳定性作出评价。经过验算，对断面几处关键截面校核情况汇总（表1）。断面各最不利截面支护结构安全系数均大于现行地铁隧道设计规范中衬砌结构安全系数2.0，符合规范要求，说明此处富水黏土层断面初期支护强度是安全稳定的，同时为了加强支护刚度，可通过增加混凝土厚度等措施来提高结构的稳定性。

图8 截面内力计算模型

图9 截面轴力示意图

图10 截面弯矩示意图

表1 断面ZDK16+995初期支护安全系数

5.结论

矿山法是地铁隧道施工中传统且较为常见的方法，矿山法施工中最为不利的岩层是较软或含水量大的地层。本文基于矿山法隧道穿越富水黏土地层时引发大变形为工程背景，结合现场位移及支护体系内力监测数据，对隧道开挖诱发地层和支护体系变形规律展开研究，得出以下结论：

（1）富水软弱地层隧道变形是多因素综合作用的产物，由于开挖引起的地层损失、失水固结、应力释放和地层加固相互协调作用，在隧道支护和围岩共同变形的作用下，拱顶下沉和地表沉降都较大、地层总体变形大。

（2）从位移监测数据分析，每一次施工工序转换衔接拱顶沉降均发生一次急剧下沉跳跃,尤其是上台阶完成后，随着工序逐步完成，拱架闭合成环，这种扰动影响逐渐降低，经过大约28 天，拱顶累计沉降值基本趋于稳定。

（3）从支护结构整体受力状态来看，实测断面围岩压力总体较大。型钢拱架在架立初期应力值增速较快，对于提高隧道支护结构前期稳定性发挥了重要作用，待喷射混凝土达到设计强度后，混凝土继续承担支撑作用，二者协调作用，作为二衬施作之前的主要承载结构效果显著。

（4）从断面测点稳定后截面内力分布分析，断面整体受压，最大压力和最大弯矩均出现在右侧拱肩位置，经计算此处初期支护安全系数较小，为2.18，可通过增加混凝土厚度等措施加强对此处位置的风险管控。