軟土地區淺埋暗挖大斷面隧道拱頂沉降實測分析

魏 綱， 姚王晶， 許 斌， 石長江， 傅 翼， 王 哲，*

(1. 浙江大學城市學院土木工程系， 浙江 杭州 310015； 2. 浙江工業大學巖土工程研究所， 浙江 杭州 310014；3. 中國建筑西南勘察設計研究院有限公司杭州分公司， 浙江 杭州 310015； 4. 杭州市城市建設投資集團有限公司， 浙江 杭州 310002)

0 引言

淺埋暗挖隧道的初期支護一般為柔性支護，相對于盾構隧道的管片襯砌而言，柔性支護的隧道變形更加明顯[1]。隧道的變形直接反映隧道開挖后洞內的穩定性，開挖后初期支護變形過快、變形量過大，是隧道洞內發生坍塌的前兆[2]。而隧道開挖后變形(拱頂沉降、周邊收斂)過大，也會導致初期支護變形超過警戒值，影響二次襯砌的施工[3]。因此,在淺埋暗挖隧道施工過程中，對隧道洞內變形規律的分析具有重要意義。

目前針對隧道洞內變形規律的研究，在南方軟黏土地區，關于盾構法隧道洞內變形規律研究較多[4-6]； 在北方的黃土與粉質黏土地區，對淺埋暗挖法隧道洞內變形規律研究較多。大斷面隧道在粉土與黃土中采用淺埋暗挖法開挖時，拱頂沉降量一般為幾十mm[7-9]； 而大斷面隧道在南方軟土中采用淺埋暗挖法開挖時，拱頂沉降量往往達到上百甚至幾百mm。廈門翔安大斷面淺埋軟土隧道采用CRD法開挖時，產生的平均拱頂沉降達192 mm，出口淺埋段部分拱頂沉降達450 mm左右[10-11]; 深圳地鐵1期3A標國老區段采用淺埋暗挖法開挖時，沉降量也達到200 mm[12]； 深圳地鐵1期第6標段采用淺埋暗挖法開挖時，沉降量達到200 mm[13]。在現有實測分析中,針對城市軟土地區大斷面淺埋暗挖隧道的分析較少，且缺乏對此類隧道土質條件、開挖工法、環境變化等單因素的實測比較分析，因此需對該類隧道作進一步研究。

杭州市紫之隧道第1標段工程淺埋暗挖段雙線隧道位于軟土地區，工程地質條件較為復雜，分別采用CRD工法、四臺階法及上臺階中隔壁法開挖。通過對實測的隧道變形進行分析，重點研究淤泥質軟土中隧道的拱頂沉降、周邊收斂和仰拱隆起的變化規律，分析降雨、施工工法以及土質條件等單因素對拱頂沉降的影響。

1 現場監測

1.1 工程概況

杭州市紫之隧道(紫金港路—之江路)工程南起之浦路，北至紫金港路，道路南北端各設1對匝道，線路全長14.4 km，是杭州市“四縱五橫”快速網絡的重要一縱，也是全國最長的城市隧道群。其中，紫之隧道第1標段淺埋暗挖段西線里程范圍為 K0+792～K1+530，長738 m，南段連接明挖基坑，北段連接山體隧道。

1.2 工程地質條件

隧道K0+792～+860段為錢塘江沖海積平原地貌，上部有回填土； K0+860～ K1+440段屬湖沼積平原地貌，下部以湖沼積形成的淤泥質粉質黏土為主，上部為回填土。

1)紫之隧道1號標段淺埋暗挖段各土層地質條件描述如下：

①-1雜填土，無層理，質不均。

①-2素填土，無層理，質不均。

②-1粉質黏土，軟可塑，干強度中等。

③ 淤泥質粉質黏土，流塑，飽和； 黏塑性好，均一性好，含少量腐植物碎屑和黑色有機質斑點; 韌性高，干強度高。

⑤ 淤泥質粉質黏土，流塑，飽和，含少量有機質，下部夾有少量粉土薄層； 韌性中等，干強度高。

⑥ 含黏性土碎石，稍密實—中密實，濕，碎石含量為50%～60%，碎石直徑為2～5 cm。

〈12〉-2強風化泥質粉砂巖，粉砂結構，中厚構造層，泥質膠結，礦物風化蝕變明顯，節理裂隙較發育，巖芯以碎塊狀為主，巖質軟，錘擊易碎。

〈12〉-3 中風化泥質粉砂巖， 粉砂結構，中厚層構造，泥質膠結，局部夾有粉砂質泥巖，節理裂隙較發育，巖芯以柱狀、長柱狀為主，巖質軟，錘擊易碎，易風化，遇水軟化，巖石質量指標RQD=65%～85%，巖體完整性一般。

〈15〉-1 全風化玄武玢巖，斑狀結構，礦物分化劇烈，巖芯呈可塑狀粉質黏土，刀可切開，原巖基本結構破壞，原巖結構不清晰。

〈15〉-2 強風化玄武玢巖，斑狀結構，塊狀構造，礦物風化蝕變明顯，節理裂隙較發育，巖芯以碎塊為主，巖質較硬，錘擊可碎。

〈15〉-3 中風化玄武玢巖，斑狀結構，基質交織結構，塊狀構造，節理裂隙稍發育，巖芯以柱狀為主，柱長10～30 cm，柱體表面較光滑，偶見夾寬度5 mm石英細脈，巖質堅硬，錘擊不易碎。

2)水文地質條件如下：

全新統沖海積成因粉土松散巖類孔隙潛水含水層組主要分布于K0+792～+860段，含水層介質由粉砂土、粉砂組成，屬于弱透水系，水量較豐富，民井出水量一般為20～50 m3。孔隙潛水受大氣降水豎向入滲補給及地表水體下滲補給為主，與河塘有側向互為補給關系，徑流緩慢，以蒸發排泄和向附近河塘側向徑流排泄為主，水位隨季節氣候動態變化明顯。

更新統洪積、沖洪積黏性土夾碎石松散巖類孔隙潛水含水層組主要分布于K0+860～K1+530段，為丘陵山麓地帶，含水層介質有含碎石、礫石粉質黏土、含黏性土碎石，土體呈中密實狀態，滲透性差，水量貧乏。水位動態變化較大，雨季水位較高，旱季水位較低，水位年變幅為1～3 m。

西線K0+843～K1+083段的縱向地質剖面見圖1，各土層的物理力學指標見表1，各巖層的物理力學指標見表2。

表2巖層物理力學性質指標

Table 2 Index of physico-mechanical properties of rock layers

層號巖層名稱地基土承載力特征值/kPa土、石等級圍巖等級<12>-2強風化泥質粉砂巖180ⅢⅤ<12>-3中風化泥質粉砂巖350ⅣⅣ<15>-1全風化玄武玢巖180ⅢⅤ<15>-2強風化玄武玢巖280ⅢⅤ<15>-3中風化玄武玢巖1 000ⅣⅣ

1.3 隧道設計和施工方案

本文研究對象為紫之隧道第1標段淺埋暗挖段，為雙線隧道(見圖2)，進洞口隧道軸線埋深12.8 m，高度為9.7 m，雙線隧道的中軸線間距為20 m，凈距為7.2 m。隧道呈橢圓形，等效面積約為 89.5 m2，隧道等效半徑約為5.4 m。實際工程中采用CRD工法、四臺階法、上臺階中隔壁法進行施工，具體施工步驟與文獻[14]提到的施工步驟類似，四臺階法與三臺階七部法相似； 上臺階中隔壁法相比于臨時仰拱臺階法，不保留核心土而增加豎向支撐。

圖2 隧道進洞口橫斷面示意 (單位： mm)Fig. 2 Sketch of cross-section of tunnel entrance (unit: mm)

紫之隧道第1標段淺埋暗挖段施工工序為： 1) 隧道在地質較復雜地段采用超前地質鉆探進行地質預報； 2) 對開挖區域進行超前支護，有超前大管棚+單排超前小導管+全斷面注漿和φ42 mm×4 mm雙層超前注漿小導管@30 cm(同一斷面上導管之間的間距)×300 cm(斷面間隔距離)、l=450 cm(注漿導管長度)2種形式。管棚為φ108 mm熱軋無縫鋼管，壁厚6 mm，節長4～6 m，接頭用長15 cm的絲扣直接對口連接，管棚中增設由4根φ22 mm主筋和固定環組成環向間距為30 cm的鋼筋籠。

實際開挖中，西線K0+792～K1+043段采用CRD工法，K1+043～+073段采用四臺階法，其余采用上臺階中隔壁法開挖。淤泥質黏土段采用CRD工法開挖時，地表采用高壓旋噴樁加固，樁長16 m，穿過雜填土層、素填土層和粉質黏土層，進入淤泥質黏土層。隧道邊線及中軸線采用φ600 mm旋噴樁@600 mm密切相排； 隧道邊線以內采用φ600 mm旋噴樁@800 mm×900 mm梅花樁布置； 隧道邊線以外采用φ600 mm旋噴樁@800 mm×900 mm矩形布置。上臺階中隔壁法施工見圖3，CRD工法施工見圖4。

圖3 隧道洞內上臺階中隔壁法施工

Fig. 3 Construction of intermediate diaphragm method for top heading

圖4 隧道CRD工法施工Fig. 4 Construction of CRD method

1.4 隧道監測項目及測點布置

CRD工法隧道洞內監測點布置示意見圖5。由圖5可知，CRD工法開挖時隧道洞內每個斷面布置： 1)拱頂測點J1、J2(在每個導洞掌子面自上而下開挖，焊接鋼拱架，噴射混凝土后立即布置，布置于噴射混凝土上)； 2)隧道1部、2部分別布置三角形收斂變形監測線S1-2、S1-3、S2-3(在1部掌子面開挖至拱腰位置時立即布置，點1為拱頂點，點2布置在豎向支撐上，點3布置于對應拱腰位置的噴射混凝土上)和S4-5、S4-6、S5-6，3部、4部布置收斂監測點S7-8、S8-9； 3) 拱頂拱腰差監測點G1-2、G2-5。

四臺階法與上臺階中隔壁法隧道洞內監測點布置示意見圖6。由圖6可知，四臺階法與上臺階中隔壁法開挖時隧道洞內斷面布置： 1)拱頂測點J1、J2； 2)三角形收斂變形監測點S1-3、S2-4、S3-4； 3)拱頂拱腰差監測點G1-2、G2-5。

拱頂沉降與仰拱隆起采用精確水準儀測量測點與不動點的絕對位移，周邊收斂采用收斂計進行測量。拱頂沉降、周邊收斂與仰拱隆起的監測頻率在前15 d為1次/d，如果沉降趨于穩定，15 d后改為1次/2 d。拱頂沉降警戒值為20 mm，警戒速率為2 mm/d； 周邊收斂警戒值為20 mm，警戒速率為2 mm/d； 仰拱隆起警戒值為25 mm，警戒速率為2 mm/d。

圖5 CRD工法隧道洞內監測點布置示意

Fig. 5 Layout of monitoring points in tunnel constructed by CRD method

圖6四臺階法與上臺階中隔壁法隧道洞內監測點布置示意

Fig. 6 Layout of monitoring points in tunnel constructed by 4-bench method and intermediate diaphragm method for top heading

2 圍巖實測變形規律分析

2.1 淤泥質黏土段隧道變形規律

1)西線K0+877～+887段拱頂沉降隨時間變化曲線見圖7(圖7中正值代表沉降，負值代表隆起，下同)。該段屬于淤泥質黏土段，采用CRD工法開挖，測點為圖5中拱頂沉降點J1。K0+877處1部的拱頂沉降監測點于2015年1月17日布置(監測點布置當日為讀數零點，下同)，初期支護在2～3 d后封閉； K0+882處1部的拱頂沉降監測點于1月20日布置，初期支護在2～3 d后封閉； K0+887處1部的拱頂沉降監測點于1月28日布置，初期支護在2～3 d后封閉。

圖7 K0+877～ +887段拱頂沉降隨時間變化曲線圖(2015年)

Fig. 7 Time-history curves of crown top settlement at section K0+877～+887 (in 2015)

由圖7可知： K0+877、K0+882、K0+887處的拱頂最終沉降值分別為122.16、146.63、115.83 mm，均遠超警戒值(20 mm)； 沉降持續時間為20 d左右。這是因為在監測點布置前，隧道拱頂已經產生了較大的超前沉降，而這部分沉降未被監測到[15]，所以實際沉降會大于所測得的沉降。

2)K0+872與K0+877斷面拱腰處收斂隨時間變化曲線見圖8(圖中正值代表收斂，負值代表擴張)。K0+872處1部收斂監測點于1月12日布置，初期支護在1～2 d后封閉，2部周邊收斂監測點于1月20日布置，初期支護在1～2 d后封閉； K0+877處1部收斂監測點于1月17日布置，初期支護在1～2 d后封閉，2部周邊收斂監測點于1月23日布置，初期支護在1～2 d后封閉。

圖8 K0+872～+877段拱腰處收斂隨時間變化曲線圖(2015年)

Fig. 8 Time-history curves of haunch convergence at section K0+872～+877 (in 2015)

由圖8可知： K0+872與K0+877處的1部開挖后拱腰最終收斂的變化規律為先收縮，初期支護封閉后又擴張，二部開挖后又收縮。這說明隧道不僅發生了收縮，在收縮后隧道形狀又發生了橢圓化的變形。有一個測點的最大值超過了警戒值(20 mm)，說明隧道發生的橢圓化變形比較明顯。

3)K0+870～+880段的拱頂沉降隨時間變化曲線見圖9。由圖9可知： 仰拱隆起的監測點于初期支護仰拱閉合后布置，在4月20日之前，仰拱隆起的監測點數據變化不明顯，K0+870處還有略微隆起； 而在4月20日和5月20日左右，仰拱開始產生沉降，至9月6日分別產生43.43、37.43 mm沉降，均超過警戒值(25 mm)。此外，2015年4月20日左右，K0+870處二次襯砌完成； 5月20日左右，K0+880處二次襯砌完成，二次襯砌上布置的收斂監測點顯示，二次襯砌幾乎不產生收斂。從監測數據中可以推斷出，二次襯砌完成后，隧道還產生了較大的整體沉降，其原因是： 由于隧道處于淤泥質粉質黏土層中，對應隧道基底承載力不足，導致隧道整體下沉。建議在對隧道進行高壓旋噴樁超前加固時，應加深樁體的長度，使隧道下部區域的淤泥質粉質黏土也得到加固，增強隧道基底的地基承載力，減小整體沉降。

與廈門翔安隧道[10]拱頂沉降和拱腰收斂實測值進行比較(該隧道圍巖等級稍高，但地下水豐富)可知，紫之隧道工程的拱頂沉降值與其較為接近，但其拱腰收斂值較大且為擴張，而紫之隧道拱腰收斂值較小且為收斂。與劉誠等[16]研究的在寧波土質條件較好的粉質黏土中的隧道相比，翔安隧道拱頂沉降明顯較小，而紫之隧道的拱頂沉降值則較大。

2.2 拆撐后拱頂沉降增量的變化

西線K0+872～+887段的拱頂沉降隨時間變化曲線見圖10。由圖10可知： K0+872、K0+877、K0+882、K0+887處所產生的最大拱頂沉降依次為137.94、122.16、146.63、115.83 mm。

圖9 K0+870～ +880段仰拱隆起隨時間變化曲線圖(2015年)

Fig. 9 Time-history curves of inverted arch settlement at section K0+870～+880 (in 2015)

圖10 K0+872～+887段拱頂沉降隨時間變化曲線圖(2015年)

Fig. 10 Time-history curves of crown top settlement at section K0+872～+887 (in 2015)

采用CRD工法開挖，初期支護達到穩定后，要拆除臨時仰拱與縱向支撐，臨時仰拱與縱向支撐拆除后，隧道拱頂又會產生一定程度的沉降。西線K0+872～+887段拆撐后拱頂沉降增量隨時間變化曲線見圖11。由圖11可知： 拆撐后拱頂沉降增量的最大值分別為27.14、22.13、21.12、19.16 mm，拆撐后拱頂沉降增量占總拱頂沉降的14.63%，該部分沉降較大； 拱頂拆撐所產生的沉降持續了40 d左右，穩定所需的時間也較長。因此，在拆撐后需要注意隧道的穩定，當變化速率過快時，需要減緩拆撐速度，防止初期支護超過警戒線，影響二次襯砌施作； 二次襯砌也不能在拆撐后立即施作，需要通過拱頂沉降監測數據的穩定性判斷是否適合施作。

與張建國等[17]實測的廈門翔安隧道陸路段拱頂拆撐引起的拱頂沉降相比，紫之隧道拱頂拆撐引起沉降占總沉降的比例明顯偏大。這是由于此段隧道開挖處于淤泥質黏土中，相比廈門翔安隧道土質更差，當臨時支撐拆除后，初期支護與周邊土體的平衡被打破，而周邊土體自穩性差，所以對初期支護產生了較大的壓力，使初期支護再次產生變形，引起較大的拱頂沉降。

圖11 K0+872～+887段拆撐后拱頂沉降增量隨時間變化曲線圖(2015年)

Fig. 11 Time-history curves of crown top settlement increment at section K0+872～+887 after support dismantling (in 2015)

2.3 降雨對拱頂沉降的影響

2015年2月19日至3月8日天氣情況見表3，由表3可知，除2 d未下雨外，其余16 d都出現降雨。降雨對拱頂沉降會產生較大影響，在持續降雨、隧道開挖所在土層土質條件較差的情況下，會導致土體強度下降、上覆荷載增加，初期支護所承受的壓力達到極限，從而使支護失穩，導致拱頂沉降發生突變。如果不及時加固，就有可能導致坍塌。

表3 K0+902～ +922段開挖時天氣情況

Table 3 Weather conditions when excavating section K0+902～+922

天氣持續時間/d小雨9中雨4大雨1中雪2

1)K0+902～+922段拱頂沉降隨時間變化曲線見圖12，初期支護一般于開挖后3 d內封閉。由圖12可知： 由于降雨影響，K0+907、K0+912處的拱頂沉降速率隨時間的變化并沒有減緩，K0+917處拱頂沉降速率在3月5日左右更有增大的趨勢，而K0+922處監測點布置當日就產生了突變沉降，突變量為67.27 mm。從現場情況分析，導致拱頂沉降發生突變的原因為： ①由于上部土體為雜填土，滲透系數大，雨水滲入土體使土體增重，隧道上部荷載增加，導致超載； ②連續的降雨使現場洞內的滲水量增大，說明土體中水的滲透力增大，使土體的強度進一步降低。

2)K1+132～+141段拱頂沉降隨時間變化曲線見圖13。由圖13可知： 在11月17日與11月18日隧道所在區域發生了大規模降雨，K1+132～+141段在11月17日至18日拱頂沉降也產生了突變，且突變量很大，達到146.01 mm。主要原因是： ①此段隧道開挖土層為強風化泥質粉砂巖，而上部土體為雜填土，當降雨量較大時，上部土體由于雨水滲入導致重度增大，從而增大了上覆荷載，使隧道初期支護受到的壓力增大； ②雨水滲透時的滲流力也會使隧道初期支護受到的壓力增大； ③水能很快滲入至強風化泥質粉砂巖，而強風化泥質粉砂巖被水浸泡后會軟化，使彈性模量減小，導致開挖層土體強度降低。上述原因的共同作用導致了拱頂沉降產生突變。

圖12 K0+902～+922拱頂沉降隨時間變化曲線圖(2015年)

Fig. 12 Time-histoy curves of crown top settlement increment at section K0+902～+922 (in 2015)

Fig. 13 Time-history curves of crown top settlement increment at section K1+132～+141 (in 2015)

值得注意的是，當拱頂沉降產生突變時，從洞內觀察到滲水情況比較嚴重，且積水增多。因此，淺埋暗挖隧道施工過程中，當洞內積水增多時，要加強隧道變形的監測，防止隧道失穩坍塌。必要時，需要在地表設置降水井，降低地下水位，減小圍巖和初期支護受到的壓力。在設置初期支護時，應適當增加鎖腰錨桿、鎖腳錨桿的數量，減小鋼拱架之間的距離以增強初期支護的強度。

2.4 施工工法及土質對拱頂沉降的影響

1)K0+985～K1+042段最終拱頂沉降值隨測點里程變化見圖14。由圖14可知： ①當采用CRD工法在淤泥質黏土層中開挖時，拱頂沉降為140～160 mm； ②當掌子面下部逐漸出現含黏性土碎石層時，拱頂沉降減小至110～120 mm； ③當隧道掌子面上部逐漸由淤泥質黏土層變為含黏性碎石層，下部逐漸由含黏性碎石變為強風化泥質粉砂巖時，沉降進一步減小至70～80 mm； ④當掌子面上部淤泥質黏土基本消失，斷面以強風化泥質粉砂巖為主時，沉降減小至20～30 mm。CRD工法在淤泥質黏土層中開挖所引起的拱頂沉降平均值，約為強風化泥質粉砂巖中的6.5倍。

由監測結果可知，隧道開挖過程中，土體強度對拱頂沉降的影響很大。即使土質條件變好，也要適當調整超前加固方法、開挖工法以及支護手段，在保證安全的情況下，使工程進度得到加快。

圖14 K0+985～K1+042段拱頂沉降最終值圖Fig. 14 Final crown top settlement at section K0+985～K1+042

2)K1+021～+087段最終拱頂沉降值隨測點里程變化見圖15。由圖15可知： ①施工工法改為四臺階法后，拱頂沉降增大至130～180 mm； ②施工工法改為上臺階中隔壁法后，拱頂沉降又減小至100～120 mm。在強風化泥質粉砂巖中，CRD工法、四臺階法、上臺階中隔壁法引起拱頂沉降平均值大小的比例約為1∶5.1∶3.59。

圖15 K1+021～+087段拱頂沉降最終值圖Fig. 15 Final crown top settlement at section K1+021～+087

由圖14和圖15示出的拱頂沉降量最終值可以看出： ①施工方法相同時，不同土質條件對拱頂沉降影響較大，在淤泥質軟土中開挖時，采用CRD工法依舊產生了較大的拱頂沉降，當掌子面完全穿過淤泥質黏土層后，沉降明顯減小； ②工法改為四臺階法后，拱頂沉降突然增大，說明CRD工法中的分塊開挖、豎向支撐、臨時仰拱減小拱頂沉降的作用十分明顯； ③采用四臺階法優化后的上臺階中隔壁法，也在一定程度上減小了拱頂沉降，但相對于CRD工法，沉降仍然偏大。因此，在軟巖中開挖時，如果對隧道變形控制要求較高，宜采用CRD工法開挖。

綜上所述，在強風化泥質粉砂巖中開挖，采用CRD工法開挖產生的拱頂沉降較小，但工序復雜、掘進速度慢； 四臺階法雖然工序簡單，理論上掘進速度快，但由于產生的沉降過大，一定程度上影響了掘進的速度和安全性。綜合兩者的優劣，上臺階中隔壁法一定程度上減少了施工的工序，加快了掘進進度，減小了拱頂沉降，加強了開挖的安全性。

3 結論與建議

1) CRD工法在淤泥質黏土中測得的拱頂沉降較大，并且隧道在收斂過程中產生了橢圓化變形； 二次襯砌完成后，隧道產生了整體沉降變形，建議隧道進行高壓旋噴樁超前加固時，應加固至隧道基底下方； 初期支護拆撐也會產生較大沉降，且沉降持續時間較長，因此有必要對拆撐段進行監測； 二次襯砌的施作時間也要結合監測數據合理進行。

2) 降雨會使上部土體超載，且雨水滲透、浸泡開挖面土層會使土層強度降低，從而導致初期支護變形加大，拱頂沉降產生突變。洞內滲水積水增加時，要加強隧道變形監測，在設置初期支護時，應適當增加鎖腰錨桿、鎖腳錨桿的數量，減小鋼拱架之間的距離，以增強初期支護的強度，做到“強支護、快封閉、勤量測”。

3) 采用CRD工法在淤泥質黏土中引起的拱頂沉降平均值為強風化泥質粉砂巖中的6.5倍； CRD工法在淤泥質黏土中開挖與四臺階法在強風化泥質粉砂巖中開挖所引起的拱頂沉降都較大； 在強風化泥質粉砂巖中，CRD工法、四臺階法、上臺階中隔壁法引起拱頂沉降平均值的比例為1∶5.1∶3.59。如果對隧道變形控制要求較高，宜采用CRD工法開挖。

4) 在強風化泥質粉砂巖中采用的工法仍有改進的空間，拱頂沉降的數據采用理論公式較難準確地擬合。在接下來的研究中，建議采用有限元模擬，結合本工程實測數據以及與本工況較接近工程的實測數據，提出合理的參數，進行拱頂沉降的預測，對隧道整體沉降產生的原因和后果以及對地表沉降的影響作進一步分析。