哈爾濱地鐵工程掌子面及隧道洞身穩(wěn)定性研究

全強(qiáng) 郭文靜 史培賀

摘? 要：本文依托哈爾濱地鐵粉質(zhì)黏土隧道工程，基于超前小導(dǎo)管的支護(hù)作用，并根據(jù)圍巖亞級(jí)劃分的標(biāo)準(zhǔn)，建立了雙參數(shù)下超前小導(dǎo)管支護(hù)的彈性地基梁受力模型，開展了超前小導(dǎo)管支護(hù)下的隧道掌子面穩(wěn)定性評(píng)估，并基于收斂約束法進(jìn)行了隧道開挖過程中不用支護(hù)情況的彈塑性二次應(yīng)力狀態(tài)分析，開展了隧道洞身穩(wěn)定性及襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：超前小導(dǎo)管;掌子面穩(wěn)定性;收斂約束法;隧道洞身穩(wěn)定性

Research on Excavation Face and Tunnel Stability of Harbin Metro Engineering

QUAN Qiang1? GUO Wenjing2? SHI Peihe2

（1.Harbin Metro Group Co. Ltd.， Harbin， Heilongjiang Province， 150080 China; 2.? Geotechnical and Structural Engineering Research Center， Shandong University， Jinan， Shandong Province， 250061 China）

Abstract： Based on the silty clay tunnel project of Harbin metro， based on the support effect of advance small conduit and the standard of sub grade classification of surrounding rock， the mechanical model of the double-parameter elastic foundation beam supported by the leading ductile was established， and the stability evaluation of the excavation face under the action of the leading ductile was carried out. Based on the convergence constraint method， the elastic-plastic secondary stress state without support during tunnel excavation is analyzed as well， and the stability of tunnel body and lining structure are evaluated.

Key Words： Leading ductile; Stability of the excavation face; Convergence constraint method; Stability of the surrounding rock

隧道掘進(jìn)過程中，掌子面和圍巖的變形是影響隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性的重要因素，所以保證掌子面及圍巖的穩(wěn)定性對(duì)施工安全至關(guān)重要。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，哈爾濱地鐵工程主要為粉質(zhì)黏土地層，且采用臺(tái)階法開挖。本文依托該工程，基于超前小導(dǎo)管的支護(hù)機(jī)理，通過建立掌子面穩(wěn)定性模型研究其破裂機(jī)制，從而進(jìn)行掌子面穩(wěn)定性的評(píng)估;并通過分析隧道圍巖彈塑性分布研究其二次應(yīng)力狀態(tài)，從而對(duì)隧道的洞身穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。

1開挖掌子面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

哈爾濱地鐵隧道工程的支護(hù)形式為超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)^[1]、初期支護(hù)及二次襯砌相結(jié)合。但對(duì)于隧道掌子面土質(zhì)情況較差、超前小導(dǎo)管參數(shù)不合理或支護(hù)措施不及時(shí)等情況，超前小導(dǎo)管對(duì)隧道圍巖的支護(hù)作用將會(huì)大大減小，極易導(dǎo)致坍塌事故，所以必須根據(jù)具體工程情況進(jìn)行掌子面穩(wěn)定性分析。

1.1 超前小導(dǎo)管支護(hù)作用機(jī)理

1.1.1 自身加固機(jī)理

（1）錨桿作用。將超前小導(dǎo)管打入隧道拱頂一定范圍內(nèi)，提高圍巖的承載能力。（2）漿液通道作用。小導(dǎo)管管體鉆孔后形成通道，有利于漿液擴(kuò)散，從而提高土體承載力。（3）棚架作用。開挖初期未支護(hù)時(shí)，超前小導(dǎo)管可以支撐部分土體，有利于保證掌子面的穩(wěn)定性。

1.1.2 注漿加固機(jī)理

漿液對(duì)土體的擠密壓縮有利于提高圍巖穩(wěn)定性;且注漿后土體的內(nèi)摩擦角、粘聚力得以增大，抗剪能力提高^[2]。

1.2 超前小導(dǎo)管支護(hù)作用理論模型

對(duì)超前導(dǎo)管的受力及變形情況進(jìn)行綜合分析，建立如圖1所示的雙參數(shù)下的超前小導(dǎo)管有限長彈性地基梁受力模型。

對(duì)小導(dǎo)管進(jìn)行受力分析，可得導(dǎo)管的彎矩剪力Q（x）、彎矩M（x）、轉(zhuǎn)角θ（x）及導(dǎo)管內(nèi)壁縱向應(yīng)變ε（x）：

其中，D為超前小導(dǎo)管的外徑，δ為超前小導(dǎo)管的壁厚。

1.3 超前小導(dǎo)管作用下掌子面穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)

1.3.1 掌子面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型

基于超前小導(dǎo)管的支護(hù)作用，并根據(jù)掌子面前方土體的破裂機(jī)制，提出一種掌子面穩(wěn)定性計(jì)算模型，該模型適用于粉質(zhì)黏土隧道臺(tái)階法開挖工程，如圖2所示。

1.3.2 掌子面穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)

基于掌子面穩(wěn)定性計(jì)算模型，對(duì)滑移體進(jìn)行極限平衡分析，可得各級(jí)圍巖在有無支護(hù)情況下的穩(wěn)定性系數(shù)，見表1所示。

參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》^]并結(jié)合表1可知，為保證掌子面穩(wěn)定性，在粉質(zhì)黏土地層中：對(duì)于V級(jí)圍巖，無需采用超前導(dǎo)管支護(hù)便可保證掌子面穩(wěn)定;對(duì)于Ⅵ₁級(jí)圍巖，須采用超前導(dǎo)管支護(hù)，并依據(jù)工程具體情況決定是否需要進(jìn)行注漿;對(duì)于Ⅵ₂級(jí)圍巖，因其土質(zhì)較差，超前小導(dǎo)管支護(hù)也無法確保掌子面的穩(wěn)定性，所以須采用深孔注漿加固技術(shù)或施加超前管棚支護(hù)。

2 隧道洞身穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 圍巖彈塑性分布二次應(yīng)力狀態(tài)

假設(shè)圍巖為彈塑性模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)為線彈性模型，計(jì)算時(shí)忽略圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)等的自重?；谄矫鎽?yīng)變問題分析方法，通過虛擬支撐力逐步釋放法^[3]，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施做時(shí)機(jī)、圍巖應(yīng)力釋放對(duì)隧道開挖產(chǎn)生的影響進(jìn)行模擬，將隧道開挖過程分為初始階段、開挖階段、支護(hù)階段，詳見圖3。

通過土工試驗(yàn)獲得粉質(zhì)黏土的壓縮模量，并換算為彈性模量?；谝陨嫌?jì)算模型對(duì)圍巖彈塑性應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，可得：

2.2收斂約束法關(guān)鍵曲線

2.2.1圍巖收斂特征曲線

選取支護(hù)抗力大于最小支護(hù)力、且圍巖變形滿足規(guī)范要求的支護(hù)時(shí)機(jī)，將所選擇的不同支護(hù)時(shí)機(jī)施做初襯所得的支護(hù)壓力P₁代替虛擬支撐力，可得圍巖收斂特征曲線，見圖4。

對(duì)松動(dòng)區(qū)內(nèi)滑移體進(jìn)行極限平衡分析，即可得作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的最小支護(hù)力和最大安全塑性區(qū)范圍。

2.2.2洞身縱向變形曲線

在鋼格柵拱架與噴射混凝土共同支護(hù)下，支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度隨著時(shí)間的增長不斷增大，所以圍巖的應(yīng)力釋放率^[4]必定將越來越小并趨近于某一值。且圍巖通過變形完成應(yīng)力釋放，所以應(yīng)力釋放率與收斂變形必定存在著相應(yīng)的關(guān)系，通過擬合公式可以得到施加支護(hù)結(jié)構(gòu)后的洞身縱向變形曲線，見圖5。

將現(xiàn)場監(jiān)測到的拱頂沉降值和理論值進(jìn)行對(duì)比分析：理論值的標(biāo)準(zhǔn)誤差相比于實(shí)測值均小于1.5，并且相關(guān)系數(shù)近似為1。以上表明本模型方法得到的支護(hù)施做后拱頂沉降的大小及規(guī)律較為符合實(shí)際，可應(yīng)用于具體工程。

2.2.3支護(hù)特征曲線

基于支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)前期格柵單獨(dú)支護(hù)和后期格柵與噴混凝土聯(lián)合支護(hù)^[5]分別進(jìn)行分析，可得到各亞級(jí)圍巖的支護(hù)特征曲線，如圖6至圖8。

由圖可知：對(duì)于V級(jí)圍巖，最大支護(hù)反力大于支護(hù)與地層特征曲線的平衡點(diǎn)應(yīng)力，且圍巖變形滿足規(guī)范要求;對(duì)于Ⅵ₁、Ⅵ₂級(jí)圍巖，施加支護(hù)結(jié)構(gòu)前，圍巖已經(jīng)產(chǎn)生較大的變形和位移，因此須提前支護(hù)時(shí)機(jī)，采取超前支護(hù)的方法。

2.3 容許位移安全系數(shù)

為使得圍巖變形在規(guī)范允許的合理范圍內(nèi)，通過分析不同亞級(jí)粉質(zhì)黏土的洞身收斂變化，得到洞身收斂容許位移安全系數(shù)^[6]，見表2。

由表2可知，在上述開挖支護(hù)措施下，V級(jí)粉質(zhì)黏土的容許位移安全系數(shù)為2.91，滿足施工要求;Ⅵ₁級(jí)粉質(zhì)黏土的容許位移安全系數(shù)為1.40，且支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度也滿足要求，因此需要采用超前小導(dǎo)管支護(hù);對(duì)于Ⅵ₂級(jí)粉質(zhì)黏土，支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度已滿足要求，但是在掌子面進(jìn)行開挖前，圍巖已經(jīng)產(chǎn)生較為大的變形，所以須在開挖前進(jìn)行加固，從而保證施工安全。

3 結(jié)論與展望

3.1 研究結(jié)論

本文根據(jù)超前小導(dǎo)管支護(hù)作用機(jī)理，對(duì)哈爾濱地鐵粉質(zhì)黏土隧道開挖工程開展了圍巖的穩(wěn)定性分析，研究結(jié)論如下。

（1）建立了雙參數(shù)下超前小導(dǎo)管的彈性地基梁受力模型，提出了適用于粉質(zhì)黏土隧道開挖工程的掌子面穩(wěn)定性分析模型，并對(duì)掌子面進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估。結(jié)果表明：對(duì)于V級(jí)圍巖，無需采用超前導(dǎo)管支護(hù)便可保證掌子面穩(wěn)定;對(duì)于Ⅵ₁級(jí)圍巖，須采用超前導(dǎo)管支護(hù)，并依據(jù)工程具體情況決定是否需要注漿;對(duì)于Ⅵ₂級(jí)圍巖，因?yàn)槠渫临|(zhì)情況較差，即使采用超前小導(dǎo)管支護(hù)也無法滿足掌子面的穩(wěn)定性要求，所以須采用深孔注漿加固技術(shù)或施加超前管棚支護(hù)。

（2）分析了圍巖的彈塑性分布二次應(yīng)力狀態(tài)，并根據(jù)收斂約束法得到圍巖收斂特征曲線、洞身縱向變形曲線和支護(hù)特征曲線，并基于容許位移安全系數(shù)，對(duì)隧道洞身的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明，支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力滿足施工安全要求，但Ⅵ₁、Ⅵ₂級(jí)粉質(zhì)黏土隧道應(yīng)當(dāng)借助超前支護(hù)，從而保證圍巖穩(wěn)定性。

3.2展望

本文在以下方向有待進(jìn)一步開展。

（1）本文通過土壓力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式開展掌子面穩(wěn)定性分析，下一步應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)及計(jì)算得到精確土壓力值。

（2）本文通過理論模型和數(shù)值計(jì)算分析了隧道掌子面前方土體的破裂模式，今后應(yīng)結(jié)合模型試驗(yàn)來驗(yàn)證土體的破裂形態(tài)。

（3）本文主要考慮超前小導(dǎo)管的縱向“棚架”作用，暫未分析其橫向成拱作用，今后應(yīng)當(dāng)在該方面展開研究，以完善超前小導(dǎo)管的支護(hù)理論。

參考文獻(xiàn)

[1]AN Yong-lin，ZHOU Jin，OUYANG Peng-bo，LI Jia-hao.Analysis of tunnel face stability with advanced pipes support[J].Jounal of Central South University，2021（28）：604-617.

[2]程少振.土體劈裂注漿擴(kuò)散與加固機(jī)理及工程應(yīng)用[D].北京：北京交通大學(xué)，2019.

[3]劉曉偉.基于虛擬支撐力逐步釋放法的襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性分析[J].河南科技，2020（1）：95-98.

[4]徐東強(qiáng)，曹富興，薛宇飛，等.山嶺隧道Ⅳ級(jí)圍巖不同應(yīng)力釋放率下施作二襯規(guī)律[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（27）：358-363.

[5]李樹忱，晏勤，謝璨，等.膨脹性黃土隧道鋼拱架-格柵聯(lián)合支護(hù)力學(xué)特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，36（2）：446-456.

[6]常佳文.基于收斂約束法隧道支護(hù)作用的縱向解析及相關(guān)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2019.