基于现场监测的暗挖隧道施工力学特性研究

丁垠博

摘要：为研究暗挖隧道施工时的力学特性，依托看丹站至榆树庄站区间地铁项目，通过现场监测，对矿山法暗挖施工时导洞收敛变形、地表沉降变形、围岩压力、钢筋应力以及孔隙水压力等进行了分析。研究结果表明：地表沉降变化趋势呈现出明显的阶段性。导洞施工期间产生的沉降约占总沉降的70%左右。导洞收敛最大值约为9.8mm，满足规范规定的位移控制值和最大变形收敛速率要求。在实际工程中，应遵循“短进尺、早封闭”的施工方针，以有效避免围岩压力突变的发生。

关键词：力学特性；暗挖隧道；现场监测；围岩压力

0   引言

随着我国城市化进程的不断加快，地铁隧道工程越来越多。近年来，为了确保工程的施工质量，相关技术人员针对隧道力学特性进行了多项研究。

李义华等[1]依托郑州地铁3号线项目，对管幕结合CRD法施工的地表变形规律进行了研究，建议地层加固施工时注浆不应超过6%。刘石等[2]以长春市轨道交通5号线人民广场站项目为例，对一次扣拱暗挖法隧道开挖步序进行了优化，并基于高斯函数建立了地表沉降预测模型，对地表沉降进行了预测。周希圣等[3]结合实际工程项目，通过数值模拟手段，对软土地区地下束合管幕暗挖施工对地表沉降的影响进行了对比分析。杨凤梅、叶至盛[4]基于成都地铁19号线天府商务区站项目，通过有限元方法建立了地层-车站结构数值模型，仿真模拟了开挖施工阶段和运营阶段上部既有车站的受力情况。高玮等[5]提出一种通用于矿山法隧道的BIM建模方法，该方法符合工程管理与项目管理的要求，且建模效率更高，更能反映真实工程情况。蒋霞[6]以某地铁工程为研究对象，通过现场监测等手段，对矿山法施工过程中地表沉降规律进行了研究。

为了进一步研究暗挖隧道施工时的力学特性，本文依托看丹站-榆树庄站区间地铁项目，通过现场监测，对矿山法暗挖施工过程中的导洞收敛变形、地表沉降变形、围岩压力和钢筋应力等进行了研究。

1   工程概况

本文依托看丹站-榆树庄站区间地铁项目，该项目主要施工方法为矿山法施工，含临时仰拱，分上下两个导洞挖土、格栅架立、网喷成环。其中，左线区间的二衬结构净高为5.6m，净宽度5.3m。右线区间二衬结构净净高为6.0m，宽度为5.5m。初支结构厚度0.35m，二衬结构厚度0.5m。设临时仰拱一道，临时仰拱厚度为0.3m，区间浮土厚度为7.2～7.7m。

暗挖段施工时，采用Φ25×2.75mm焊接钢管作为超前小导管，对拱部地层补充注浆。结构基底设置承载桩，矿山法区间穿越地层主要为黏土层，富水性较高。

2   现场监测方案

以收集的现场施工和第三方监测数据为基础，安装土压力盒、孔隙水压力和钢筋应力传感器于隧道断面上。将地表沉降观测点于导洞中心线的地表投影点，每隔10m布设一次变形监测点。隧道断面监测点布置情况如图1所示。

3   监测分析

上下两个导洞的矿山法暗挖施工进度情况如图2所示。观察圖2可以发现，导洞的施工顺序为先挖上导洞，然后再进行下导洞的开挖，掌子面距离约为30m。

3.1   沉降变形

3.1.1   隧道中线地表沉降

图3展示了随着开挖施工的进行隧道中线地表沉降的变化情况。从图3可以看出，在进行施工开挖前，地表已出现约10mm沉降。地表沉降变化趋势呈现出明显的阶段性。在上下导洞施工前后地表沉降相对较为稳定，上下导洞施工期间，沉降大幅度增加，且变形速率加快。导洞施工期间产生的沉降约占总沉降的70%左右。

由于地层具有较强的富水性，地质条件较为复杂，采用了管井降水与洞内降水的措施，导致最终的沉降值较大，约为78mm。

3.1.2   导洞收敛变化情况

图4展示了随开挖施工导洞收敛的变化情况。观察图4可以发现，导洞收敛变化曲线与地表沉降曲线较为类似，表现出了明显的阶段性。具体可分为4个阶段，分别为较快下降阶段、快速下降阶段、缓慢下降阶段以及稳定阶段。导洞收敛最大值约为9.8mm，满足规范规定的位移控制值和最大变形收敛速率要求。

3.2   孔隙水压力

图5展示了拱底孔隙水压力变化情况。从图5可以看出，在通过洞内真空泵降水阶段，孔隙水压力初期为负值，表明监测点处的传感器埋置深度要高于地下水位。后基本为正值，表现相对稳定，无大幅度上升或下降，仅存在小范围的波动，约为5kPa大小。

而在地面管井降水阶段，孔隙水压力变化曲线大致可以分为两部分：一部分是地面管井降水阶段初期，孔隙水压力较为稳定，基本为负值，第二部分数值较大，整体亦出现小范围波动，由第一部分突变而来。

3.3   围岩压力

3.3.1   上部监测点围岩压力

图6展示了上部监测点围岩压力随开挖施工的变化情况。观察图6可以发现，各监测点在传感器布置初期围岩压力波动较大，这主要是由于采用上下台阶法施工导致的。

随着施工的进行，围岩压力逐渐稳定，变化速率也保持在正常水平。对比各监测点，拱腰围岩压力最大，峰值达到了82kPa；其次为拱肩位置处，围岩压力峰值达到了39kPa；围岩压力峰值最小的为拱顶位置处，由于深度较浅，围岩压力波动和增长速率均保持在较低的水平，呈现单调缓慢增加的趋势，峰值为28kPa。

左拱肩位置处围岩压力变化最为剧烈，这是由于随着下台阶的开挖，上台阶处于脱空状态，围岩压力减小。而上导洞初支封闭完成后，围岩压力进行了释放，因此数值又出现了增大。下导洞开挖时也发生了类似情景。因此，在实际工程中，应遵循“短进尺、早封闭”的施工方针，以有效避免类似围岩压力突变的发生。

3.3.2   下部的拱脚监测点围岩压力

图7展示了下部的拱脚监测点围岩压力随开挖施工的变化情况。从图7中可以看出，监测点7和监测点9的围岩压力变化曲线差异较大。在监测点7位置处，围岩压力除了在开始阶段有波动外，基本呈现单调增加的趋势，变化速率除了停工阶段外基本保持一致。

而监测点9的围岩压力随着开挖施工的进行，出现先增加后保持稳定、最后减小的变化趋势。造成这种现象也是由于导洞的施工，对监测点9造成了显著的影响，导致其围岩压力出现大幅度变动。

3.4   钢筋应力

3.4.1   上部监测点钢筋应力

图8展示了上部监测点钢筋应力随开挖施工的变化情况。从图8中可以看出，拱顶处的钢筋应力整体较为稳定，除了小范围突变外，均保持在80MPa左右。而拱肩和拱腰处的钢筋应力则单调下降。与围岩压力相比，两者分布形式基本一致。

拱顶处钢筋应力基本为正应力，钢筋受拉。而拱肩处的钢筋应力在前期为正应力，后随着施工的进行，钢筋受力形态发生变化，逐渐向负应力过度。而拱腰处的钢筋应力则均为负应力，钢筋受压。

3.4.2   拱脚监测点钢筋应力

图9展示了拱脚监测点钢筋应力随开挖施工的变化情况。从图9可以看出，監测点7和监测点9的拱脚钢筋应力变化趋势基本一致，数值方面监测点7的钢筋应力略大于监测点9。与上部监测点相比，拱脚处的钢筋应力均为负应力，钢筋应力峰值最大的为监测点3拱腰位置处，接近200MPa。

4   结束语

本文依托看丹站-榆树庄站区间地铁项目，通过现场监测，对矿山法暗挖施工时地表沉降变形、导洞收敛变形、孔隙水压力、围岩压力和钢筋应力等进行了分析。得出主要结论如下：

地表沉降变化趋势呈现出明显的阶段性。在上下导洞施工前后地表沉降相对较为稳定，上下导洞施工期间，沉降大幅度增加，且变形速率加快。导洞施工期间产生的沉降约占总沉降的70%左右。

导洞收敛变形可分为较快下降阶段、快速下降阶段、缓慢下降阶段以及稳定阶段4个阶段。导洞收敛最大值约为9.8mm，满足规范规定的位移控制值和最大变形收敛速率要求。

随着下台阶的开挖，上台阶处于脱空状态，围岩压力减小，上导洞初支封闭完成后，围岩压力进行了释放，围岩压力波动较大。因此，在实际工程中，应遵循“短进尺、早封闭”的施工方针，以有效避免类似围岩压力突变的发生。

参考文献

[1] 李博平，武军，张笈玮，等.考虑未支护段的矿山法隧道开挖面稳定性研究[J].施工技术，2018，47（10）：105-108.

[1] 李义华，朱康康，李明宇，等.粉质黏土地层管幕+CRD法施工地表变形规律分析：以郑州地铁3号线中州大道站出入口通道工程为例[J].隧道建设（中英文），2022，42（12）：2148-2156.

[2] 刘石，姜巍，宫亚峰，等.一次扣拱暗挖法隧道开挖步序优化与地表沉降预测[J].现代隧道技术，2022，59（S2）：44-53.

[3] 周希圣，李治，陈建琴，等.软土地区地下束合管幕暗挖施工对地表沉降的影响比选分析[J].隧道与轨道交通，2022（3）：25-28+57.

[4] 杨凤梅，叶至盛.成都地铁19号线天府商务区站矩形断面矿山法零距离下穿既有车站施工方案[J].城市轨道交通研究，2022，25（12）：171-176.

[5] 高玮，汪义伟，葛双双，等.矿山法隧道BIM建模技术研究[J].地下空间与工程学报，2022，18（4）：1305-1316.

[6] 蒋霞.矿山法地铁隧道施工地表沉降规律研究[J].福建建材，2022（1）：55-57+115.