邱明明，楊果林，張沛然，段君義

（1.延安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 延安 716000；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075）

隨著我國(guó)西部交通工程和“一路一帶”建設(shè)的深入發(fā)展，穿越山嶺地段的黃土隧道大量涌現(xiàn)，而淺埋洞口段是隧道施工的高風(fēng)險(xiǎn)地段[1-4]，往往是隧道工程設(shè)計(jì)與施工中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。同時(shí)，由于黃土性質(zhì)的特殊性[5]，隧道開(kāi)挖卸荷作用極易誘發(fā)軟弱黃土圍巖產(chǎn)生大變形或位移，引起襯砌侵限、結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、邊坡失穩(wěn)等工程災(zāi)害，故明確圍巖位移發(fā)展變化規(guī)律對(duì)控制黃土隧道變形和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有重要指導(dǎo)意義。

針對(duì)這一問(wèn)題已有眾多相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、理論分析和數(shù)值模擬研究成果。如陳建勛等[6-7]基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)黃土公路隧道施工變形規(guī)律進(jìn)行了研究。扈世民等[8]采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬方法對(duì)大斷面黃土鐵路隧道施工變形規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析。李志清等[9]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和理論分析法對(duì)淺埋黃土隧道圍巖變形特性進(jìn)行了研究。孟德鑫等[10]分析了大斷面黃土鐵路隧道拱頂下沉與周邊收斂變化特征，并給出了相應(yīng)的變形控制措施。賴(lài)金星等[11]對(duì)軟弱黃土隧道施工變形規(guī)律進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究，并給出了相應(yīng)的變形控制指標(biāo)。孔慶祥等[12-13]基于大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了不同條件下黃土鐵路隧道施工變形規(guī)律，并對(duì)拱頂下沉與周邊收斂位移量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。周鵬等[14]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了黃土斜坡下偏壓隧道圍巖變形橫向和縱向分布規(guī)律。劉小偉等[15]利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬方法揭示了Q2飽和黃土隧道圍巖收斂變形與應(yīng)力變化特征。李明等[16]采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同開(kāi)挖方法條件下富水大斷面黃土隧道流固耦合變形特性進(jìn)行了對(duì)比分析。王道遠(yuǎn)等[17]基于模型試驗(yàn)研究了硬塑-流塑淺埋黃土隧道變形特性，并給出了雙線黃土隧道合理預(yù)留變形量建議值。

由于地質(zhì)條件差異性、復(fù)雜性以及施工的不確定性等因素影響，使得淺埋洞口段隧道施工變形規(guī)律存在顯著差異，尤其是在黃土隧道研究方面還遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐。鑒于此，本文以某黃土公路隧道工程為依托，結(jié)合淺埋洞口段現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，研究淺埋洞口段黃土公路隧道施工引起的地表沉降、拱頂下沉和周邊收斂時(shí)態(tài)分布規(guī)律，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)分析，研究成果可為黃土地區(qū)隧道設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 依托工程背景

1.1 工程及地質(zhì)概況

某雙向四車(chē)道分離式黃土公路隧道，隧道左線起止樁號(hào)ZK86+481～ZK87+642，全長(zhǎng)1 161 m，右線起止樁號(hào)YK86+575～YK87+618，全長(zhǎng)1 043 m。隧道斷面開(kāi)挖跨度B=12.82 m，高度H=10.32 m，為典型的大斷面濕陷性黃土V級(jí)圍巖隧道。隧址區(qū)屬黃土丘陵-黃土梁地貌，沖溝發(fā)育，溝谷深切，山間植被茂密，根系發(fā)育。隧道埋深（h）6.0～78.0 m，上部覆蓋20.0～25.0 m的上更新統(tǒng)Q3al+pl新黃土，為Ⅳ級(jí)自重濕陷性黃土，局部夾有黃土狀粉質(zhì)黏土，其下部為中更新統(tǒng)Q2al+pl粉土，中密—密實(shí)狀，土質(zhì)較均勻（圖1）。

圖1 黃土隧道進(jìn)出口段地質(zhì)縱剖面Fig.1 Longitudinal geological section of the entrance and exit zone of the loess tunnel

隧道進(jìn)出口均在黃土梁沖溝段，兩側(cè)為高陡邊坡。其中，左線隧道進(jìn)口埋深6.0 m，出口埋深6.0 m；右線隧道進(jìn)口埋深1.5 m，出口埋深5.0 m。隧道進(jìn)出口段山體表層為薄層粉土，結(jié)構(gòu)松散，為濕陷性黃土狀粉土，天然密度1.40～1.90 g/cm3，含水率8.6%～20.2%，黏聚力10.0～27.0 kPa，內(nèi)摩擦角20.0°～32.0°，濕陷系數(shù)0.016～0.083；洞身段V級(jí)圍巖主要為砂質(zhì)黃土，天然密度1.65～2.10 g/cm3，含水率10.7%～22.7%，黏聚力16.0～57.0 kPa，內(nèi)摩擦角18.0°～33.0°。隧址區(qū)地下水主要為松散巖類(lèi)孔隙水，埋藏深度約40.0 m以上，主要通過(guò)大氣降水和地表水入滲補(bǔ)給。

1.2 洞口段開(kāi)挖方法

該黃土隧道支護(hù)系統(tǒng)采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，隧道開(kāi)挖半徑為6.42 m。根據(jù)圍巖級(jí)別并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況，淺埋洞口段隧道開(kāi)挖采用交叉中隔壁（CRD）法（圖2），洞身段采用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法進(jìn)行施工。其中，中隔壁法施工工序?yàn)椋海╝）施作超前支護(hù)①；（b）開(kāi)挖先行導(dǎo)坑上部Ⅰ；（c）施作先行導(dǎo)坑上部初期支護(hù)②和臨時(shí)支撐③；（d）開(kāi)挖先行導(dǎo)坑下部Ⅱ；（e）施作先行導(dǎo)坑下部初期支護(hù)④和臨時(shí)支撐⑤；（f）開(kāi)挖后行導(dǎo)坑上部Ⅲ；（g）施作后行導(dǎo)坑上部初期支護(hù)⑥和臨時(shí)支撐⑦；（h）開(kāi)挖后行導(dǎo)坑下部Ⅳ；（i）施作后行導(dǎo)坑下部初期支護(hù)⑧和臨時(shí)支撐⑨；（j）開(kāi)挖仰拱Ⅴ；（k）施作仰拱臨時(shí)支撐⑩、初期支護(hù)?、混凝土襯砌?；（l）拆除臨時(shí)支撐③、⑤、⑦、⑨、⑩；（m）仰拱回填?；（n）整體模筑二次襯砌?。

圖2 交叉中隔壁（CRD）法施工步驟Fig.2 Construction sequence of the CRD method

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

為掌握淺埋洞口段隧道施工引起的周邊位移變化規(guī)律，在土坡地表沿隧道橫斷面間隔5.0 m布設(shè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記為DB0～DB6，采用高精度全站儀測(cè)量。在隧道拱頂位置布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)C），采用精密水準(zhǔn)儀量測(cè)。周邊收斂測(cè)點(diǎn)布設(shè)在各斷面跨度最大位置，埋設(shè)1條水平收斂測(cè)量基線（AB水平測(cè)線），采用數(shù)顯收斂計(jì)量測(cè)（圖3）。

圖3 隧道周邊位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)剖面圖（單位：m）Fig.3 Cross-sectional layout of the displacement monitoring points（unit:m）

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 地表沉降分布規(guī)律

圖4為不同測(cè)試斷面地表沉降-歷時(shí)曲線，各測(cè)試斷面地表沉降時(shí)態(tài)曲線分布變化基本一致，地表沉降量隨隧道開(kāi)挖空間逐步增大呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)地表沉降速率逐漸減緩，約60 d后地表沉降逐漸趨于穩(wěn)定，地表沉降最大值統(tǒng)計(jì)范圍為（?30.78～?105.20）mm。地表沉降時(shí)態(tài)曲線具有顯著的時(shí)間效應(yīng)和階段效應(yīng)，其發(fā)展變化過(guò)程可分為快速增長(zhǎng)階段、持續(xù)發(fā)展階段、穩(wěn)定變形階段；地表沉降時(shí)態(tài)曲線與時(shí)間具有顯著的非線性關(guān)系，其發(fā)展過(guò)程可采用指數(shù)函數(shù)描述（式（1）），且擬合函數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值具有較高的擬合優(yōu)度，見(jiàn)圖4（f）、表1，故可借助擬合函數(shù)對(duì)地表沉降時(shí)態(tài)曲線發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

式中：a、b、w0——擬合常數(shù)。

圖5為不同測(cè)試斷面橫向地表沉降曲線，地表沉降曲線沿橫向水平距離呈凹槽形分布，隨隧道開(kāi)挖時(shí)間增長(zhǎng)，沉降槽加寬變深；地表沉降沿隧道橫斷面影響范圍為（3～5）B（隧道跨度），拱頂正上方地表沉降量最大；各測(cè)試斷面地表沉降曲線分布趨勢(shì)基本一致，但也略有差異，主要表現(xiàn)為左右兩側(cè)具有一定的非對(duì)稱(chēng)性，見(jiàn)圖5（e），原因是隧道分部開(kāi)挖過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng)和空間效應(yīng)所致。大量的工程實(shí)踐表明，橫向地表沉降槽基本符合正態(tài)曲線分布，即可采用典型的Peck公式進(jìn)行預(yù)測(cè)：

圖4 不同測(cè)試斷面地表沉降-歷時(shí)曲線分布規(guī)律Fig.4 Distribution curves of ground settlement with time of different monitoring sections

表1 隧道開(kāi)挖引起的地表沉降（測(cè)點(diǎn)DB0）與時(shí)間的關(guān)系Table 1 Fitting equations between ground settlement（point DB0）caused by tunnel excavation and time

式中：w（x）——隧道開(kāi)挖引起的地表沉降/m；

wmax——地表沉降最大值/m；

x——沿隧道橫斷面水平距離/m；

i——地表沉降槽寬度系數(shù)/m；

Vloss——隧道開(kāi)挖引起單位長(zhǎng)度的地層損失量/（m3·m?1）；

η——單位長(zhǎng)度的地層體積損失率/%；

A——隧道開(kāi)挖斷面面積/m2。

各測(cè)試斷面最終地表沉降分布曲線擬合結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖5（f）與表2。由表2可知，地表沉降實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)結(jié)果基本吻合，隧道開(kāi)挖引起的地層損失率可達(dá)3.08%，且預(yù)測(cè)模型可用于地表變形預(yù)測(cè)分析。

3.2 拱頂下沉分布規(guī)律

圖6為不同測(cè)試斷面拱頂下沉-歷時(shí)曲線，拱頂下沉隨時(shí)間增長(zhǎng)而增大，在隧道開(kāi)挖卸荷初期變形量呈線性增長(zhǎng)，隨后變形速率逐漸減小，下沉量呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間后下沉量逐漸趨于穩(wěn)定。以圖6（a）為例，其發(fā)展變化過(guò)程可分為線性增長(zhǎng)、持續(xù)變形和平穩(wěn)發(fā)展3個(gè)階段。其中，線性增長(zhǎng)階段持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為6～12 d，此階段變形量為（60%～80%）vmax，主要受隧道開(kāi)挖卸荷作用影響變形速率較大，故在施工過(guò)程中應(yīng)快速開(kāi)挖、及時(shí)施作支護(hù)結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)，以控制圍巖大變形；持續(xù)變形階段因初期支護(hù)結(jié)構(gòu)逐步施作而發(fā)揮承載作用，圍巖變形速率減緩，此階段歷時(shí)為10～15 d，變形量為（20%～40%）vmax；隧道開(kāi)挖30 d以后拱頂下沉逐漸趨于穩(wěn)定，即變形進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展階段，此階段可作為二次襯砌結(jié)構(gòu)的合理施作時(shí)機(jī)，以避免隧道圍巖變形繼續(xù)發(fā)展。

拱頂下沉?xí)r態(tài)曲線符合指數(shù)函數(shù)型發(fā)展規(guī)律，各測(cè)試斷面拱頂下沉隨時(shí)間變化關(guān)系擬合結(jié)果見(jiàn)表3，其擬合優(yōu)度均達(dá)到0.96以上。拱頂下沉vmax的統(tǒng)計(jì)范圍為（?17.1～?201.1）mm，其變形歷時(shí)15～45 d，見(jiàn)圖6（e）。由于隧道施工變形受諸多因素影響，其變形量具有一定的隨機(jī)性，假設(shè)其服從正態(tài)分布，可對(duì)樣本取95%的置信區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，則可得一定置信水平的變形量置信上下限。根據(jù)圖6（e）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，拱頂下沉vmax的95%置信區(qū)間為[?51.53，?65.11]。拱頂下沉不超過(guò)90.0 mm的斷面集中在埋深h≤3（H+B）的隧道中，當(dāng)隧道埋深h＞3（H+B）時(shí)，拱頂下沉量呈增大趨勢(shì)，見(jiàn)圖6（f），主要原因是隨著隧道埋深增大，下部土體含水量較高（15.0%～23.0%），土體穩(wěn)定性差，隧道所受上覆荷載較大，因此變形較大。

圖5 不同測(cè)試斷面橫向地表沉降曲線分布規(guī)律Fig.5 Distribution curves of transversal ground settlement of different monitoring sections

表2 橫向地表沉降分布曲線預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of the predicted results of transversal ground settlement

圖7為不同測(cè)試斷面拱頂下沉速率-歷時(shí)曲線，隧道開(kāi)挖初始拱頂下沉速率急劇增加，而后隨時(shí)間呈逐漸減緩趨勢(shì)，其發(fā)展變化過(guò)程可分為急劇增長(zhǎng)、快速衰減、緩慢衰減和平穩(wěn)變化4個(gè)階段，見(jiàn)圖7（a）。隧道開(kāi)挖后拱頂下沉速率最大值為（?8.0～?12.0）mm/d，30 d以后拱頂下沉速率基本達(dá)到穩(wěn)定，除少數(shù)測(cè)點(diǎn)最終位移速率超過(guò)?1.00 mm/d以外，其余測(cè)點(diǎn)最終位移速率變化范圍均為（?0.05～?0.80）mm/d。由此說(shuō)明，位移變化速率與圍巖變形發(fā)展趨勢(shì)密切相關(guān)，其大小是判別圍巖穩(wěn)定性的重要依據(jù)之一，且通過(guò)及時(shí)施作與加強(qiáng)支護(hù)措施以降低圍巖位移速率是防止隧道圍巖大變形和失穩(wěn)破壞的重要途經(jīng)。

3.3 周邊收斂變形分布規(guī)律

圖8為不同測(cè)試斷面周邊收斂-歷時(shí)曲線，周邊收斂時(shí)態(tài)曲線分布亦可采用指數(shù)函數(shù)描述，其變化過(guò)程與拱頂下沉具有類(lèi)似的發(fā)展規(guī)律；周邊收斂變形量umax的統(tǒng)計(jì)范圍為（?12.1～?122.0）mm，其變形歷時(shí)為15～45 d，見(jiàn)圖8（e）。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，umax的95%置信區(qū)間為[?35.08，?43.39]。當(dāng)隧道埋深h≤3（H+B）時(shí)，周邊收斂變形不超過(guò)75.0 mm，超過(guò)75.0 mm的斷面集中在埋深h＞3（H+B）的隧道中，見(jiàn)圖8（f）。拱頂下沉與周邊收斂變形量對(duì)比可知（圖6、圖8），在同一測(cè)試斷面拱頂下沉變形均高于周邊收斂變形，因此隧道預(yù)留變形量應(yīng)著重考慮拱頂下沉量的影響，并建議V級(jí)黃土圍巖隧道預(yù)留變形量取值范圍為（?100～?150）mm。

圖6 不同測(cè)試斷面拱頂下沉-歷時(shí)曲線分布規(guī)律Fig.6 Distribution curves of vault settlement with time of different monitoring sections

表3 隧道開(kāi)挖引起的拱頂下沉與時(shí)間的關(guān)系Table 3 Fitting equations between vault settlement caused by tunnel excavation and time

圖9為不同測(cè)試斷面周邊收斂速率-歷時(shí)曲線。由圖9可得，周邊收斂速率時(shí)態(tài)曲線呈先增大而后逐漸衰減趨勢(shì)，在隧道開(kāi)挖初始階段周邊收斂速率變化最大，為（?4.0～?6.0）mm/d；30 d以后周邊收斂速率波動(dòng)變化基本達(dá)到穩(wěn)定，各測(cè)點(diǎn)最終位移速率變化范圍均為（?0.02～?0.60）mm/d。對(duì)比拱頂下沉速率與周邊收斂速率時(shí)態(tài)分布曲線（圖7、圖9）可知，前者波動(dòng)性相對(duì)較大，說(shuō)明隧道拱頂位置的受力變形對(duì)時(shí)空效應(yīng)影響更為敏感，即圍巖變形呈現(xiàn)顯著的時(shí)間和空間效應(yīng)。在工程施工過(guò)程中，應(yīng)重視優(yōu)化隧道開(kāi)挖工序和科學(xué)把握施作支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)機(jī)，以控制圍巖變形，確保隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）黃土隧道開(kāi)挖引起的地表沉降隨時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)型分布，其發(fā)展變化過(guò)程可分為快速增長(zhǎng)階段、持續(xù)發(fā)展階段、穩(wěn)定變形階段；地表沉降最大值的統(tǒng)計(jì)變化范圍為（?30.78～?105.20）mm，約60 d后逐漸趨于穩(wěn)定；地表沉降曲線沿橫向水平距離呈凹槽形分布，可采用典型的Peck公式進(jìn)行預(yù)測(cè)，沉降槽寬度為（3～5）B，且隧道開(kāi)挖引起的地層損失率為0.74%～3.08%。

（2）拱頂下沉與周邊收斂時(shí)態(tài)曲線均可采用指數(shù)函數(shù)描述，其發(fā)展過(guò)程可分為線性增長(zhǎng)、持續(xù)變形和平穩(wěn)發(fā)展3個(gè)階段，其中線性增長(zhǎng)階段歷時(shí)6～12 d，占變形總量的（60%～80%），持續(xù)變形階段歷時(shí)10～15 d，占變形量的（20%～40%），30 d以后進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展階段，且此階段可作為二次襯砌結(jié)構(gòu)的合理施作時(shí)機(jī)，以防止圍巖變形繼續(xù)發(fā)展。

（3）拱頂下沉vmax的統(tǒng)計(jì)變化范圍為（?17.1～?201.1）mm，其95%置信區(qū)間為[?51.53，?65.11]；周邊收斂umax的統(tǒng)計(jì)變化范圍為（?12.1～?122.0）mm，其95%置信區(qū)間為[?35.08，?43.39]；V級(jí)圍巖黃土隧道預(yù)留變形量建議取值范圍為（?100～?150）mm。

圖7 不同測(cè)試斷面拱頂下沉速率-歷時(shí)曲線分布規(guī)律Fig.7 Distribution curves of vault settlement rate with time of different monitoring sections

圖8 不同測(cè)試斷面周邊收斂-歷時(shí)曲線分布規(guī)律Fig.8 Distribution curves of peripheral convergence with time of different monitoring sections

（4）拱頂下沉與周邊收斂速率時(shí)態(tài)曲線呈先急劇增加后逐漸衰減趨勢(shì)，其發(fā)展過(guò)程可分為急劇增長(zhǎng)、快速衰減、緩慢衰減和平穩(wěn)變化4個(gè)階段；最終穩(wěn)定后的拱頂下沉速率（Δv）和周邊收斂速率（Δu）依次為（?0.05～?0.80）mm/d和（?0.02～?0.60）mm/d；位移速率大小可作為判別圍巖穩(wěn)定性的重要依據(jù)之一，且通過(guò)及時(shí)施作與加強(qiáng)支護(hù)措施以降低圍巖位移速率是防止隧道圍巖大變形和失穩(wěn)破壞的重要途經(jīng)。

圖9 不同測(cè)試斷面周邊收斂速率-歷時(shí)曲線分布規(guī)律Fig.9 Distribution curves of peripheral convergence rate with time of different monitoring sections