城市轨道交通暗挖隧道地表沉降及支护优化研究

刘德亮

（中铁十四局集团第三工程有限公司，山东 济南 250000）

近年来，随着现代科学技术的突飞猛进，全世界面临因人口剧增而产生的交通问题也得到了很大程度的缓解。其中，城市轨道交通建设技术发挥了巨大的作用。可是，这一技术也会存在着一些问题，比如在开挖城市地下通道时无法稳定地表的地形，当土体变形发展到一定程度时会使一切以地基为基础的建筑设施发生倒塌等严重危害人身财产安全和社会良好发展的问题，因此在地铁隧道施工中要特别注意控制地表沉降和变形，做好防护措施，保证工程质量，保证隧道周边既有建筑的安全。

1 工程概况

某隧道全长790m，隧道洞口附近有乡村道路通过，交通较便利。主要穿越石英片岩、大理岩等底层该隧道采用动态设计、信息化施工，该地铁隧道通过利用钻孔、装药、爆破开挖岩石等方法进行，其中的Ⅴ级围岩段利用六部CD 法，即每次循环就进尺2m。初期的支撑防护使用C25 喷射混凝土，厚度为28cm；I20a 钢架，纵向间距为100cm；Ф6mm 钢筋网，间距为20cm×20cm；系统锚杆，长为4m，间距为120cm×120cm，梅花形布置。参数如表1 所示。

表1 隧道支护参数表

2 地铁隧道施工地表沉降影响因素

2.1 地质条件的影响

地铁隧道部分上方可以出现自然拱形结构的泥土厚度与所在地方的泥土特性有很大的关系。自然拱的出现不但可以有效支撑保护地铁隧道的开挖，而且也与地面地形是否发生变化息息相关。自然拱如果能够及时出现就可以有效减少地面地形的变化，自然拱如果不能及时出现就会加剧地面地形的变化。而且，所在地方的泥土特性也会随着自然拱的出现发生相应的变化，这些性质的变化也会对地面地形的变化产生一定作用。

2.2 支护结构形式和刚度

地铁隧道的支撑防护工作有三个部分，它具体包括超前初期的支撑防护、初期的支撑防护以及二次的衬砌。前两次的支撑防护要做到具有良好硬度和稳定性这两方面。因为，根据整个工程的设想规划，前两次的支撑防护工作需要承载很大的重量，负重很大。所以，前两次的支撑防护需要具有以上两方面的性质。最后的防护即二次衬砌是应急所用，其核心就是在紧急情况下可以和超前初期的支撑防护和初期的支撑防护一起负重，避免出现重大事故。

2.3 次开挖进尺

本质上就是没有支撑防护的地铁隧道是否可以保持正常的状态与隧道上面的泥土厚度毫无联系，它只和地铁隧道的大小以及通过隧道可以推断的次开挖进尺有一定的关系。次开挖进尺很大程度上影响着地铁隧道的稳定性以及地面地形的变化程度。尤其是当地铁隧道周边的泥土性质较差时，次开挖进尺的各项确定工作显得尤为重要。

3 现场测试与数据分析

1） 测试方案，地铁隧道的实时监测是为了可以在施工过程中实时看到地铁隧道的稳定数据和支撑防护所承载的重量；2） 测试结果分析，经过计算研究这三方面的实时数值，发现该地铁隧道长时间处于较大的负重情况。锚杆轴力平均值、钢架应力平均值、喷射混凝土应力平均值的具体数值如表2 所示。

表2 某隧道Ⅴ级围岩试验段监测项目均值统计

我们从表2 可以发现，喷射混凝土应力平均值全都较低，这说明它没有发挥全部的承重作用。我们可以利用刚度等效的公式进行计算，可以得出钢架可以承受的极限重量只有混凝土承受极限重量的18%左右。根据表2 的相关数据，提出两个建议：第一，去掉锚杆部分，它原本承载的重量由钢架和喷射混凝土相互分担；第二，去掉钢架部分，它原本承载的重量由锚杆和喷射混凝土共同分担。这两个建议互有优劣，但是锚杆相对于钢架，不仅更加经济实惠而且操作方便容易上手。

4 锚喷支护的数值分析

4.1 锚喷支护隧道安全储备评价

运用相关的计算公式对地铁隧道周边的泥土稳定性和初期的支撑防护的稳定性进行同比例的折合运算，最后得出在不同的折减系数时拱顶位移的程度，并通过图像（即图1）进行更加具体形象的展示。通过图1 具体形象的展示，我们可以看出拱顶位移在折减系数为3.24 时，拱顶发生了剧烈的变化。所以锚杆和喷射混凝土一体支撑防护隧道的转折点在3.24，即锚喷支护隧道的方法安全可靠。

图1 拱顶位移与折减系数曲线

4.2 锚喷支护作用

通过对处在转折状态时的地铁隧道围岩进行研究，图2呈现了其围岩状态。图3 展示的是隧道围岩剪应变增量和4m 锚杆布置的位置。从图2 中可以看出强度折减系数为3.24 时，其围岩状态是X 形，大部分在左右两侧，顶部没有很明显的变化。通过图3 分析得出4m 的锚杆是能够发挥它承载重量的作用的。而且最重要的是，图3 中隧道顶部的剪应变增量变化不大，所以，锚杆还能够在各方明进行改良。

图2 隧道围岩塑性区

图3 隧道围岩剪应变增量和锚杆布置

图4 隧道锚喷支护应力云图

图5 隧道锚喷支护位移云图

图4 展示的是进行改良加工后的锚杆和喷射混凝土一体的支撑防护的应力，图5 即为隧道应用锚杆和喷射混凝土一体后的位移云图。通过图像可以得出它们极限的承受力是6MPa，和进行实时监测中所承担的重量差不多，这说明它们还可以承受更多的重力。通过图5 得知，地铁隧道顶部移动2.7mm 时，仍然在安全区域内。

5 结语

根据对此隧道Ⅴ级围岩的初期支撑防护数据的实时监测，并将数据研究和科学方法有效结合，对初期的支撑防护工作提出了有效建议，得到以下结论：1） 进行实时监测的隧道初期承担的重量与极限承重相差较大，具有明显的提升空间；2） 进行改良加工后的初期支撑防护工作的转折点在3.24，围岩塑性区和剪应变增量证实了锚杆和喷射混凝土一体支撑防护的效果，应力与地铁隧道的顶部位移变化也说明了锚杆和喷射混凝土一体化的承受重量非常理想。这两方面也说明了改良加工建议的正确；3） 对比没有采取任何支撑防护的地铁隧道，采取了初期的支撑防护工作之后，地铁隧道明显不会发生太多的变化。