楊 東 中鐵二十四局集團有限公司

雙線鐵路淺埋隧道圍巖變形分析

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圍巖變形規(guī)律是隧道支護結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計和安全控制的主要依據(jù)。通過對8座隧道12個淺埋段圍巖變形的統(tǒng)計分析，對淺埋隧道圍巖變形規(guī)律進行研究，將圍巖變形分為先行位移——快速變形——慢速變形——穩(wěn)定四個階段。通過FLAC3D數(shù)值模擬，分別研究了施工方法和超前支護支護方式對圍巖變形的影響。

淺埋隧道；監(jiān)控量測；圍巖變形規(guī)律；數(shù)值模擬

1 引言

地下工程處于復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境之中，受很多不確定因素的影響，經(jīng)常導致原設(shè)計的支護方案和施工現(xiàn)場實際需要的支護方案有所差別。新奧法充分利用圍巖的自承能力和開挖面的空間約束作用，采用以錨桿和噴射混凝土為主要支護手段，及時對圍巖進行加固，約束圍巖的松弛和變形，并通過對圍巖和支護結(jié)構(gòu)的監(jiān)控、測量來指導地下工程的設(shè)計與施工。本文通過分析淺埋隧道圍巖變形的大量實測數(shù)據(jù)，研究圍巖變形規(guī)律，并通過FLAC3D數(shù)值模擬，對施工方法及支護方式進行分析，為淺埋隧道支護結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計和安全控制提供了寶貴的經(jīng)驗。

2 工程概況

九景衢鐵路浙江段站前Ⅰ標正線長度38.378 km，隧道共有23座，合計26 922延米。因地處典型的丘陵、低山地帶，隧道數(shù)量多，隧道淺埋段多，全標埋深30 m以內(nèi)的淺埋段共有12處，其中拱頂高出地表的2處，埋深（0～5）m的3處，其余7處埋深在（7～30）m之間。

3 圍巖變形類型與影響因素

圍巖變形主要有豎向變形和橫向變形，豎向變形測量方式包括地表沉降和拱頂下沉，橫向變形主要通過洞身收斂進行測量[1]。

影響隧道圍巖變形的因素主要有隧道埋深、地形偏壓、施工方法及支護方式等。

4 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

本文統(tǒng)計了8座隧道的12個淺埋段的地表變形數(shù)據(jù)，一共136個監(jiān)測斷面。各淺埋段如表1所示。

表1 隧道圍巖變形監(jiān)測統(tǒng)計

4.1 地表變形分布特征

圖1 圍巖變形監(jiān)測分布直方圖

圍巖變形監(jiān)測包括地表沉降、拱頂下沉和洞身收斂，頻數(shù)直方圖如圖1所示，圖中直方圖上方的數(shù)值為出現(xiàn)在該區(qū)間的次數(shù)?？梢钥闯觯?/p>

（1）地表沉降主要分布在（10～50）mm之間，在（20～30）mm區(qū)間比重最大。拱頂下沉主要分布在（0～30）mm之間，且在（0～5）mm區(qū)間比重最大。洞身收斂主要分布在（0～8）mm之間，且在（4～6）mm區(qū)間比重最大。

（2）將統(tǒng)計的數(shù)據(jù)進行數(shù)學處理，得到地表沉降的算術(shù)平均值為31.1 mm，最大值為73 mm；拱頂下沉的算術(shù)平均值為14.9 mm，最大值為55 mm；圍巖收斂的算術(shù)平均值為4.4 mm；最大值為17 mm。圍巖豎直方向變形較水平方向要大，施工中應(yīng)在拱部預(yù)留較大豎向變形量，邊墻兩側(cè)預(yù)留較小變形量。

4.2 圍巖變形隨埋深變化特征

淺埋隧道圍巖變形受埋深的影響較大，圍巖變形與埋深之間的二次擬合曲線，如圖2所示。

圖2 圍巖變形與埋深變化關(guān)系

由于地表沉降除受到埋深的影響，還包括圍巖完整性和偏壓等影響，導致觀測數(shù)據(jù)較離散?？梢钥闯觯?/p>

（1）隨埋深增加，圍巖變形逐漸減小。

（2）洞身收斂10 mm以上的變形都在埋深10 m以下，但總體分布非常離散，與埋深的關(guān)系不明顯。

4.3 偏壓對圍巖變形的影響

將偏壓隧道與非偏壓隧道的圍巖變形分別進行統(tǒng)計，分析結(jié)果見圖3。

圖3 偏壓對圍巖變形的影響

由圖3可以看出，與非偏壓隧道比較，偏壓隧道的圍巖變形較大，且對變形量的影響隨著埋深的增大逐漸減小。偏壓對洞身收斂的影響最大，在埋深小于10 m的時候，偏壓隧道的洞身收斂接近于非偏壓隧道兩倍。埋深小于20 m的隧道，地表沉降和拱頂下沉受偏壓的影響較大。因此對埋深小于20 m的偏壓隧道，應(yīng)加強支護，設(shè)置橫向或縱向臨時支撐，盡快將支護封閉成環(huán)。

5 圍巖變形的時空分布規(guī)律

淺埋隧道先行位移較大，地表沉降容易提前量測，本文僅對地表沉降的時空分布規(guī)律進行分析。

5.1 圍巖變形分布

隧道洞內(nèi)監(jiān)控量測一般都在支護施作后才開始，而地表沉降從掌子面前方就開始測量，記錄了圍巖變形的全過程數(shù)據(jù)，因此本段主要對地表沉降規(guī)律進行分析。統(tǒng)計地表沉降隨時間變化曲線見圖4。

圖4 地表沉降隨時間變化曲線

根據(jù)監(jiān)控量測圍巖變形隨時間變化曲線可知：隧道圍巖變形顯著的分為四個階段，即掌子面通過前的先行位移階段、掌子面開挖后的快速變形階段、仰拱施作后的慢速變形階段及襯砌施作后的穩(wěn)定階段。

先行位移階段是指在掌子面開挖前的時段，一般從掌子面開挖前1.5D左右開始出現(xiàn)先行位移，先行位移占到總變形量的25%左右?？焖僮冃坞A段是指掌子面開挖至仰拱施作（3D）之間的時段，該時段圍巖變形速度快，該時段的圍巖變形量約占總變形量的60%左右。慢速變形階段是指仰拱施作到二襯施作（5D）之間的時段，該時段圍巖變形速度減緩，變形量緩慢增加，變形曲線開始收斂，該時段的圍巖變形量約占總變形量的15%左右。穩(wěn)定階段是指襯砌施作以后，圍巖已經(jīng)穩(wěn)定，變形量僅有微小變化，該時段圍巖變形量一般不到總變形量的5%。

5.2 圍巖變形控制

淺埋隧道的變形主要分布在先行位移階段和快速變形階段，應(yīng)針對這兩個階段對圍巖變形進行控制?？刂葡刃形灰瓶梢圆捎贸爸ёo的方式。控制快速變形階段位移可以通過設(shè)置臨時支撐，使支護臨時封閉，降低變形速度以控制圍巖變形；或及時施作仰拱，通過縮短快速變形階段的時長以控制圍巖變形。

6 支護方式比較

由于不同隧道具體情況不同，現(xiàn)場根據(jù)地質(zhì)情況的好壞選擇支護方式，因此針對上界首隧道出口采用FLAC3D數(shù)值模擬對不同支護方式的圍巖變形進行比較。

6.1 FLAC3D模型建立

上界首隧道出口為淺埋偏壓段，設(shè)計施工方案為四步CD法，超前長管棚支護。根據(jù)隧道勘察設(shè)計資料建立FLAC3D數(shù)值模型，拱部超前長管棚采用Beam單元模擬，系統(tǒng)錨桿、超前小導管及鎖腳鋼管采用Cable單元模擬，初期支護采用Shell單元模擬，巖體屈服準則選取Mohr-Coulomb屈服準則，并且不考慮塑性流動及剪脹。

6.2 不同工法模擬結(jié)果比較

將開挖工法更改為三臺階臨時仰拱法及三臺階七步法進行比較，得到圍巖變形情況見圖5。

圖5 不同開挖方式圍巖變形對比

從圖5可以看出，四步CD法與三臺階臨時仰拱法明顯比三臺階七步法的變形小。對拱頂下沉點D9變形過程進行監(jiān)測，四步CD法先行位移1.1 mm，快速位移階段8.9 mm，慢速位移階段為1.2 mm。三臺階臨時仰拱法先行位移1.8 mm，快速位移階段12.1 mm，慢速位移階段為1.9 mm。三臺階七步法先行位移1.7 mm，快速位移階段17.2 mm，慢速位移階段為2.8 mm。

四步CD法上導坑斷面較小，且有臨時支撐，有效的控制了先行位移，三臺階七步法三臺階臨時仰拱法先行位移接近，說明預(yù)留核心土和臨時仰拱對先行位移的控制效果相近。在快速位移階段，四步CD法與三臺階臨時仰拱法明顯比三臺階七步法的變形慢，說明臨時支撐很好的控制了變形速度。

6.3 不同超前支護模擬結(jié)果比較

在原模型的基礎(chǔ)上將超前長管棚支護更改為超前小導管支護進行比較，模擬得到圍巖變形情況見圖6。

圖6 不同超前支護圍巖變形對比

從圖6可見，超前小導管與超前長管棚相比，地表沉降及拱頂下沉各觀測點均有不同程度增大，平均增大了15%左右。對拱頂下沉點D8變形過程進行監(jiān)測，采用小導管超前支護時，D8點先行位移為3.8 mm，快速位移階段為10.6 mm，慢速位移階段為2.3 mm。采用超前長管棚支護時，D8點先行位移為2.0 mm，快速位移階段為10.1 mm，慢速位移階段為2.2 mm。超前長管棚對先行位移的控制效果明顯，先行位移縮小了近一半。長管棚支護減小了開挖后的瞬時變形量，降低了塌方的風險。

7 結(jié)語

通過對淺埋隧道圍巖變形的監(jiān)控量測，本文分析了淺埋隧道的圍巖變形規(guī)律，得到以下幾點結(jié)論：

（1）圍巖變形監(jiān)控量測數(shù)據(jù)非常離散，但總體而言，隨著埋深的增加，變形逐漸減小。

（2）隧道埋深越淺，偏壓對圍巖變形影響越大，特別是橫向位移受偏壓影響更為明顯，偏壓段洞身收斂平均為非偏壓段的兩倍以上，應(yīng)特別重視偏壓段的支護強度，盡快將支護封閉成環(huán)。

（3）淺埋隧道的變形主要分布在先行位移階段和快速變形階段，應(yīng)針對這兩個階段對圍巖變形進行控制。控制先行位移可以采用較小的開挖斷面、掌子面預(yù)留核心土及加強超前支護方式?？刂瓶焖僮冃坞A段位移可以通過設(shè)置臨時支撐，使支護臨時封閉，降低變形速度以控制圍巖變形；或及時施作仰拱，通過縮短快速變形階段的時長以控制圍巖變形。

[1]劉宗族，趙亮，楊東.上界首隧道圍巖穩(wěn)定性分析[J].安徽建筑大學學報.2014（6）：29-32.

[2]關(guān)寶樹，趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2011 年

[3]欒長青，闞宏明，唐益群.上海地鐵九號線宜山路站降水引起的沉降分析[J].巖土工程學報,2010,32(12):1961-1968.

[4]高學文，孫文龍，周文旭.淺埋偏壓隧道開挖數(shù)值模擬與監(jiān)測分析[J].施工技術(shù),2011，40(3):48-50.

任編輯：王華 張建強

來稿日期：2015-12-01