雙線鐵路淺埋隧道圍巖變形分析

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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圍巖變形規律是隧道支護結構動態設計和安全控制的主要依據。通過對8座隧道12個淺埋段圍巖變形的統計分析，對淺埋隧道圍巖變形規律進行研究，將圍巖變形分為先行位移——快速變形——慢速變形——穩定四個階段。通過FLAC3D數值模擬，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；監控量測；圍巖變形規律；數值模擬

1 引言

地下工程處于復雜多變的地質環境之中，受很多不確定因素的影響，經常導致原設計的支護方案和施工現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構的監控、測量來指導地下工程的設計與施工。本文通過分析淺埋隧道圍巖變形的大量實測數據，研究圍巖變形規律，并通過FLAC3D數值模擬，對施工方法及支護方式進行分析，為淺埋隧道支護結構的動態設計和安全控制提供了寶貴的經驗。

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，隧道數量多，隧道淺埋段多，全標埋深30 m以內的淺埋段共有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 現場監測結果分析

本文統計了8座隧道的12個淺埋段的地表變形數據，一共136個監測斷面。各淺埋段如表1所示。

表1 隧道圍巖變形監測統計

4.1 地表變形分布特征

圖1 圍巖變形監測分布直方圖

圍巖變形監測包括地表沉降、拱頂下沉和洞身收斂，頻數直方圖如圖1所示，圖中直方圖上方的數值為出現在該區間的次數。可以看出：

（1）地表沉降主要分布在（10～50）mm之間，在（20～30）mm區間比重最大。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區間比重最大。

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

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，導致觀測數據較離散。可以看出：

（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計，分析結果見圖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，應加強支護，設置橫向或縱向臨時支撐，盡快將支護封閉成環。

5 圍巖變形的時空分布規律

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律進行分析。

5.1 圍巖變形分布

隧道洞內監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據，因此本段主要對地表沉降規律進行分析。統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

根據監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左右開始出現先行位移，先行位移占到總變形量的25%左右。快速變形階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。穩定階段是指襯砌施作以后，圍巖已經穩定，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超前支護的方式。控制快速變形階段位移可以通過設置臨時支撐，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，現場根據地質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，設計施工方案為四步CD法，超前長管棚支護。根據隧道勘察設計資料建立FLAC3D數值模型，拱部超前長管棚采用Beam單元模擬，系統錨桿、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果比較

在原模型的基礎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 結語

通過對淺埋隧道圍巖變形的監控量測，本文分析了淺埋隧道的圍巖變形規律，得到以下幾點結論：

（1）圍巖變形監控量測數據非常離散，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，應特別重視偏壓段的支護強度，盡快將支護封閉成環。

（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、掌子面預留核心土及加強超前支護方式。控制快速變形階段位移可以通過設置臨時支撐，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.上界首隧道圍巖穩定性分析[J].安徽建筑大學學報.2014（6）：29-32.

[2]關寶樹，趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術[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值模擬與監測分析[J].施工技術,2011，40(3):48-50.

任編輯：王華 張建強

來稿日期：2015-12-01