隧道填土技术和试验方法

朱国权　林琼娜

摘要：针对隧道填土承载力低、湿陷性差的问题，研究采用现场实验的方法，通过分析重庆轨道交通10号线中央公园至中央公园西站填土隧道围岩的压力，以及支护结构的内力特性和荷载分布规律，对隧道围岩和支护结构安全性进行评估，并将其安全性能反馈给隧道填土设计与施工，为隧道填土施工方法和其支护结构体系提供了一套科学合理的理论体系，也为类似的工程项目提供了参考依据，具有一定的实际工程应用价值。

关键词：隧道填土;现场试验;安全评估;力学特性

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）07-0152-04

Tunnel filling technology and test method

ZHU Guoquan， LIN Qiongna

（Ningbo Ningdu Foundation Treatment Technology Co.， Ltd.， Ningbo 315022， Zhejiang China）

Abstract：Focusing on the problems of low bearing capacity and poor collapsibility of filling soil in tunnel， the safety of tunnel surrounding rock and supporting structure is evaluated by field test method through analyzing the pressure of surrounding rock， internal force characteristics and load distribution law of supporting structure in filling tunnel from Central Park to Central Park West Station of Chongqing railway Line 10， while its safety performance is fed back to the design and construction of tunnel filling， which provides a set of scientific and reasonable theoretical system for the construction method of tunnel filling and its supporting structure system， and also provides a reference for similar projects， which has a certain practical engineering application value.

Key words：tunnel fill; field test; safety assessment; mechanical properties

随着城市化进程的加快，地下轨道交通快速发展，已成为城市公共交通的主要构成。然而，由于不同地理环境，不同的城市地下隧道施工方法和填土技术规范不同，复杂地理环境下的轨道交通隧道施工更为困难，目前复杂地理环境下的隧道填土技術的研究主要集中在理论分析与数值计算方面。如在诸多假设的基础上，对隧道填土技术和隧道施工进行研究，分析了支护结构和围岩压力变化的规律等，提出系列隧道填土技术与施工方法[1-3]。由于基于理论知识的隧道填土与实际情况存在一定差异，难以全面反映实际施工状态，进而难以确保隧道施工安全。为确保隧道施工安全，本研究采用现场试验方法，以某轨道交通10号线中央公园至中央公园西站隧道施工为研究对象，从围岩受力变化、支护结构内力方面分析了复杂地理环境下隧道填土技术，并将其反馈到隧道设计与施工中，指导隧道安全建设。

1实验方案

隧道填土技术现场测试的主要目的是监测隧道施工过程中其支护结构和围岩的稳定情况，以获取填土与初期支护的参数，并为其参数调优提供依据，进而确保隧道施工安全。本试验除了常规测量隧道施工区间的项目外，还应对隧道开挖后支护结构、围岩应力和变形特征等测试，具体包括：

（1）围岩动态，以评估其稳定性;

（2）支护结构的受力情况与应力分布;

（3）围岩和支护结构的位移与应力应在设计标准范围内;

（4）支护结构是否具有安全性和合理性;

（5）预见险情和事故[4]。

2测试内容

本次现场测试为区间测试。测试对象为某轨道交通10号线工程中央公园至中央公园西站暗挖隧道区间断面DK39+805段。测试内容：断面位移、断面支护结构内力（围岩与初期支护、初期支护与2衬支护的间接触压力）、支护结构荷载分布[5]。区间断面DK39+805段的主要参数：

围岩：VI级;挖掘方法：3台阶预留核心土挖法;埋深：20 m。初期支护参数：钢架为格栅@0.5 m;

钢筋网为双层，8@200×200;喷射混凝土为C25，厚度为300 mm;超前支护为小导管@1.5 m+R51，自进式中空锚杆。

3结果与分析

3.1断面位移测量与分析

断面位移是衡量隧道洞周围岩形变的主要特征，也是评价隧道支护结构安全性能的重要指标[6]。本实验以隧道区间断面DK39+805段为例，对隧道断面位移进行测试。考虑到只有当掌子面达到测试断面才可埋设位移测量计，因此本实验对其位移测量仅分析后方收敛位移。DK39+805段断面洞位移时程变化结果如图1所示;洞周不同深度监测点位移随时间变化结果如图2所示。

由图1可知，掌子面前方先行位移约发生在其14 m（1.8D）的地方，先行位移约为3.14 mm，为总位移（9.03 mm）的35%;隧道开挖10 d左右，水平位移趋于稳定，最大位移为12.09 mm;隧道开挖30 d左右，后方收敛位移（拱顶位移）趋于稳定，掌子面离监测断面30 m（3.9D）位置，后方收敛位移约为5.89 mm，为总位移的65%。由此说明，浅埋软弱围岩隧道施工过程中，后方位移在3.9D开始收敛，比一般地质下后方收敛距离（1～2）D更长。因此，应采取喷射高性能混凝土等方式，让浅埋软弱围岩隧道施工后方位移尽可能短距离收敛。

为更清晰说明DK39+805段围岩内部监测点最终位移值位移情况，最终位移结果如表1所示。

然后通过对每个监测点进行线性拟合，得到DK39+805段位移y的收敛范围拟合方程：

拱顶y=-1.636 4+8.937 5

左拱脚y=0.001 6x+11.082

右拱脚y=-0.001 9x+11.934

令y=0，则可得到拱顶、边墙、墙角的松弛范围为5.5、6.9、6.3 m，即DK39+805段断面洞周围岩变形范围为[5.5，6.9]。

3.2断面支护结构内力量测与分析

将现场试验监测的钢拱架应变值通过计算获得其轴力与弯矩，得到DK39+805段支护结构轴力、弯矩随时间变化曲线图。图3为DK39+805段支护结构轴力变化曲线;图4为DK39+805段支护结构弯矩变化曲线。

由图3、图4可知，支护结构在30 d左右趋于稳定，支护结构全截面受拉，拱顶、边墙、仰拱受正弯矩作用，其余弯矩为负。轴力最大位置为左拱腰，达362 kN;最小位置为仰拱，达195 kN;弯矩最大位置为左、右墙角，分别达11.85、10.64 kN·m;弯矩最小位置为仰拱，达4.52 kN·m。

采用《铁路隧道设计规范》对支护结构内力安全性进行检验，结果如表3所示。

由表3可知，断面DK39+805的支护结构所有位置的抗拉安全系数均大于1.7，说明隧道施工过程中支护结构安全。

3.3断面支护结构荷载分布规律

支护结构荷载分布是反应隧道内部受力规律的重要指标，通过分析其分布规律，可对支护结构设计参数进行优化，进而提高隧道的安全性[9-10]。本实验以车站断面DK39+170段和隧道区间断面DK39+805段为例，进行断面支护结构荷载分布测试。

隧道区间断面DK39+805段测试结果如图5～图7所示。

由图5～图7可知，该断面拱顶和仰拱附近的填土压力最大，在[0.241 MPa，0.285 MPa]之间;边墙同样也承受了较大的填土压力，约为0.161 MPa;初支与2衬支护接触压力在安装40 d左右趋于稳定，拱顶与仰拱的接触压力变化明显;初支与2衬间接接触压力最大位置为左墙角，约为0.19 MPa。

采用力学分析该断面支护结构，得

初期支护分担荷载担荷=围岩与外层层钢拱架接触压-初支与2衬衬接触压/围岩与外层钢拱架接触压力×100%;

衬分担荷载比例=100%-初期支护分担荷载担荷;

外层钢拱架分担荷载担荷=围岩与外层层钢拱架解除压力-外层层钢拱与内层层钢拱架接触压/围岩与外层钢拱架接触压力-2次衬次衬砌分担×100%;

内层层钢拱架分担荷载比例=100%-外层层钢拱架分担荷载比例。

考虑到现场测试中存在诸多不可控因素，可能会导致部分测试结果过大或过小。因此，为减小测试过程中的误差，研究根据上式并采用平均值的方式计算DK39+805段钢拱架内、外层荷载分布，结果如表5所示。

由表5可知，初支荷载占比约为66.18%，2衬荷载占比33.92%;相较于初支与2衬的压力，初支与围岩的接触压力更大，说明在隧道围岩条件较差的情况下，2衬在隧道中承担了一定荷载。因此，不仅需要增加初支厚度，同时还需从工法方面采取相应措施进行改善2衬。

从现场测试整体结果来看，区间断面DK39+805段初支未开裂，且位移没有超过预警值。故本研究隧道填土技术有效。

4结语

（1）根据区间断面DK39+805段隧道拱顶位移与掌子面推进变化可知，先行位移占总位移35%，对其应进行控制，以防止发生更大的形变。后方位移收敛距离为（3～3.3）D，较一般隧道收敛距离较长，采用喷射高性能混凝土等对其进行处理;

（2）根据DK39+805段监测点位移线性拟合结果，周围岩变为[5.5 m，6.9 m]。由此可知，围岩较为软弱，洞周围围岩开始出现松弛;

（3）根据区间DK39+805围岩压力监测结果，掌子面开挖的影响为3.7D左右，说明填土变形速度较慢且持续时间长，围岩压力最大位置为拱顶和墙角。分析其原因是由埋深较深的缘故所致，因此需在支护结构设计时增加其荷载;

（4）根据区间DK39+805支护结构内力量测结果可知，支护结构在30 d左右趋于稳定，支护结构全截面受拉，拱顶、边墙、仰拱受正弯矩作用，其余弯矩为负;轴力最大位置、最小位置分别为左拱腰、仰拱，弯矩最大位置、最小位置分别为左右墙角、拱顶。各断面初期支护安全系数大于1.7，說明支护结构安全。

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