層狀黃土中淺埋隧道暗挖誘發的變形特征分析*

范晨輝，張洪耀，高 翔，武新平，連 京，張 勛

(1.中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710065； 2.長安大學建筑工程學院，陜西 西安 710061)

0 引言

控制地表沉降是地鐵淺埋隧道施工需要解決的關鍵問題[1-2]。由于各城市區域工程地質條件差別較大，地層條件非常復雜，很難通過理論分析準確預測地表沉降，因此，有必要建立能夠有效預測隧道暗挖施工誘發地層變形的方法。

大量研究[3-7]運用有限差分軟件FLAC3D對淺埋暗挖隧道施工過程中的地表沉降、隧道圍巖周邊位移和塑性區的變化特征進行了數值模擬分析。王旭東等[8]則利用有限元法對淺埋暗挖隧道工程覆跨比與地層移動及隧道結構穩定性之間的聯系進行了研究。舒東利等[9]通過建立三維數值模型及監測結果分析，研究了隧道不同開挖進尺對地層變形特征的影響。而張海龍等[10]、丁克偉等[11]還利用MIDAS軟件對比分析了隧道不同淺埋暗挖施工工法下地表沉降特征。可見，現有研究采用數值計算軟件對復雜地層條件下淺埋暗挖隧道施工誘發的圍巖變形特征進行了深入探討，但仍然缺乏對層狀黃土中地鐵淺埋暗挖隧道施工工程案例的分析，并且由于新建地鐵工程的差異性，需要對具體隧道圍巖變形特征進行具體分析。

本文以西安市典型黃土地層中建設的5號線一期青龍寺—岳家寨區間隧道工程為背景，在原位監測分析的基礎上，采用有限差分軟件FLAC3D建立淺埋暗挖隧道超前支護、開挖、襯砌三維數值分析模型，著重分析隧道暗挖施工對地表沉降、隧道襯砌結構受力與變形及超前注漿導管支護沉降變化特征的影響機理，以便為黃土地區淺埋暗挖隧道施工提供參考依據。

1 工程概況與現場監測

西安市地鐵5號線一期工程青龍寺—岳家寨區間隧道采用環形開挖預留核心土法施工，循環開挖進尺為0.5m。隧道為標準的馬蹄形斷面，尺寸為寬×高=6.8m×6.52m(A型)/6.65m(B型)，隧道全長約1.3km。施工時先在拱部150°范圍內布設單排注漿導管超前支護，管長3.0m，直徑42mm，環距0.3m，縱距1.5m。開挖后及時布置直徑8mm的鋼筋網片(150mm×150mm)，初期支護為250mm厚C25網噴早強混凝土，二次襯砌為350mm 厚的C35模筑鋼筋混凝土。

1.1 測點布置

為了及時掌握隧道暗挖施工誘發的地表、圍巖及隧道拱頂沉降等的變化規律，以便沉降超過預警值時采取有效的控制措施，及時調整施工工藝，確保暗挖施工安全，根據GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》，采用水準儀、全站儀等設備沿隧道暗挖路線進行了實時監測，具體監測點布置如圖1 所示，其中，地表沉降橫向監測斷面垂直于隧道軸線，監測斷面間距為50～100m，而沿隧道軸線方向的拱頂監測點間距為15m。

圖1 監測點布置

1.2 現場監測數據分析

地表沉降監測曲線如圖2所示，在隧道暗挖施工過程中，在隧道中心處對應的地表沉降隨時間增長較快，而在垂直于隧道軸線的橫斷面上，距離隧道中心越遠，地表沉降越小，例如，在監測的第70天，距離隧道中心0，10，20m處地表累計沉降量分別為19.68，13.4，8.1mm。

圖2 各測點地表累積沉降量

地表沉降速率變化曲線如圖3所示，隧道暗挖施工期間，與隧道軸線垂直的橫斷面上不同位置處的地表沉降速率均在(-1.0～1.0)mm/d變化。結合圖2，3的分析說明在黃土地層中采取超前注漿導管支護、0.5m進尺暗挖以及及時初支襯砌的施工方案能夠有效控制隧道施工誘發的地表沉降，不會對地面建筑物、道路等造成較大影響。

圖3 地表沉降速率

隧道拱頂沉降監測曲線如圖4所示，隧道暗挖施工誘發的起始位置處拱頂沉降在-0.4～2.0mm變化，而由于循環開挖沉降的累積，距起始位置100m處的隧道拱頂沉降明顯增大，監測期間在-2.5～5.2mm變化，然而這仍然遠小于《城市軌道交通工程監測技術規范》中15mm控制值的規定，這說明在黃土地層中實施的循環進尺為0.5m的淺埋隧道暗挖施工方案對隧道結構的變形影響非常小，能夠確保隧道結構安全。

圖4 隧道拱頂沉降

2 數值模擬

2.1 模型選取

考慮隧道縱向開挖施工的對稱性，采用有限差分軟件FLAC3D，建立層狀黃土中淺埋隧道半模型，進行隧道暗挖施工三維數值模擬計算，如圖5所示。根據工程經驗和數值對比計算，模型橫向尺寸取為30m，約為隧道半徑的10倍，可忽略邊界對數值計算結果的影響。豎向尺寸按表1所示地層尺寸參數建模，模型縱向尺寸取為210m。計算時，模型底部及四周約束法向位移，上表面為自由面。

圖5 三維有限元計算模型

2.2 參數選取

在計算模型中，將隧道襯砌與超前注漿小導管分別設置為殼單元和索單元模擬，襯砌及超前支護結構本構模型采用彈性模型。根據勘察結果，僅有兩條活動性較弱的地裂縫穿過該區間隧道，并且隧道施工前及過程中采用管井降水至底板下2.9～3.0m，故施工不受地裂縫及地下水影響。隧道圍巖從上到下主要為雜填土、素填土、新黃土、古土壤及老黃土，層狀地基均設置為實體單元，本構模型采用Mohr-Coulomb模型，土層參數如表1所示。

表1 施工區內主要地層參數

計算時，根據模型參數中的彈性模量E和泊松比ν按式(1)～(2)分別換算為體積模量K和切變模量G。

(1)

(2)

2.3 模擬方法

采用FLAC3D軟件內置的空模型模擬隧道開挖過程，參考淺埋暗挖法施工經驗，設置的施工進尺為0.5m，并且數值模擬過程中遵循先超前支護注漿導管，然后暗挖，再襯砌混凝土的施工步驟。

3 計算結果分析

3.1 隧道暗挖誘發的地表沉降變化特征(見圖6)

圖6 隧道暗挖誘發的地表沉降分析

由圖6a可知，層狀黃土中隧道暗挖誘發的地表沉降隨著開挖深度的增大先快速增大而后趨于平穩，基本呈兩階段變化特征，初始快速增加段對應的開挖深度約為0.8m。同時，由圖6b，6c可知，隧道暗挖施工到100m范圍時，100m處地表沉降會有一個較為顯著的增加過程，沿隧道縱向的影響范圍約為39m，不超過隧道寬度的7倍。

同時，在與隧道縱向中心線垂直的橫截面上，距離隧道中心的距離越大，地表沉降越小。例如，由圖6b可知，隧道開挖到100m范圍時，100m處橫斷面上距離隧道中心0，5，10，20m時地表沉降分別為26.9，25.7，23.7，23.5mm，這與隧道橫向地表沉降常呈典型的 “V”字形對稱分布的一般結論是類似的[10,12]，并且，在橫向距離隧道中心20m范圍內地表沉降小于規范限定值30mm，這與圖2所示實際監測值分析結論是一致的，說明層狀黃土中采用0.5m循環進尺能有效控制淺埋隧道暗挖施工誘發的地表沉降。

3.2 隧道暗挖誘發的圍巖沉降變化特征

除地表沉降外，考慮對埋置在地層中的管線、地基基礎的影響，隧道施工誘發的圍巖沉降也是工程建設關心的重要問題，數值計算結果如圖7所示。由圖7a可知，層狀黃土中距離地表不同深度處圍巖沉降均隨著隧道開挖深度的增大也是先快速增大而后趨于平穩，初始快速增大的范圍≤1.0m。由圖7b，7c可知，在隧道循環暗挖過程中，掌子面附近圍巖沉降因地層損失會有明顯增長。例如，距地表11.48m處，100m處橫截面上圍巖沉降由8.63mm增加到了9.51mm，其對應的隧道施工影響范圍約為24m，小于隧道寬度的4倍，增長率為10.2%。

圖7 隧道暗挖誘發的圍巖沉降分析

同時，如圖7a所示，以隧道初始循環暗挖到1.0m為例，距離地表0，6.48，11.48，13.38m時圍巖沉降分別為26.8，43.3，48.7，32.5mm，顯然，距離地表6.48m和11.48m處圍巖沉降明顯大于地表沉降，這將對該地層中管線、地基基礎設施帶來安全隱患，這主要是因為其對應的地層主要為素填土、新黃土(見表1)，其沉積時間短、強度低、孔隙大，因而受隧道暗挖施工地層損失引起的變形影響最大。這說明黃土地區地鐵隧道施工過程中除應實施地表監測外，還應根據地層情況，對圍巖變形進行測試，防止隧道施工誘發圍巖沉降引起的破壞。

3.3 隧道暗挖施工時襯砌結構受力變形特征

隧道襯砌結構拱頂及基底沉降隨循環開挖長度增長的數值計算結果如圖8所示。由圖8a可知，開挖進尺為0.5m時，與地表沉降變化特征類似，隨著隧道循環開挖深度的增加，拱頂及基底沉降均呈現出先快速增大而后趨于穩定的趨勢，初始快速增加段對應的開挖深度小于2.0m，并且當隧道開挖深度由0.5m循環增大到2m時，拱頂和基底沉降分別由1.73，0.73mm增加到了3.46，1.58mm，即第1次循環開挖產生的沉降占到穩定值的50%以上。由圖8b可知，隧道循環開挖到100m范圍時，100m處橫斷面上，拱頂沉降由6.34mm增加到了7.25mm，而基底沉降由6.05mm減小到了5.68mm，這主要是因為隧道循環開挖、地層損失產生的卸荷作用引起基底回彈而拱頂承受荷載導致的。與圖4所示現場監測結果相比，拱頂沉降穩定值的數值計算結果偏大，但均小于規范限定值。

圖8 隧道暗挖施工時襯砌結構沉降分析

由完成210m長淺埋隧道暗挖施工后剝離了圍巖的隧道襯砌結構受力數值計算云圖可知，開挖進尺為0.5m時，完成施工后隧道襯砌結構的受拉區和受壓區的最大彎矩分別為5.03×104N·m，-4.73×104N·m，對應的軸力分別為1.57×105N，-3.53×105N。為確定層狀黃土中地鐵淺埋隧道暗挖施工后襯砌結構的安全性，參考JTG D70—2004《公路隧道設計規范》規定，計算得到的偏心距e=M/N=0.13>0.2H=0.05(H為襯砌厚度)，則由抗拉強度控制時，偏心結構極限承載力N極限=3.10×105N，因此，隧道襯砌結構安全系數K=8.79，滿足規范抗拉安全系數不得小于3.0的要求。綜合分析結果可知，在西安典型層狀黃土中采用0.5m循環進尺進行淺埋隧道暗挖施工能夠確保襯砌結構受力變形符合要求。

3.4 隧道暗挖時超前注漿導管豎向變形特征

淺埋暗挖施工過程中，盡管可以觀察到開挖面情況，但在循環暗挖及襯砌施工過程中，難以準確測量沿注漿導管全長的變形情況，故需采用數值方法掌握隧道施工過程中超前注漿導管變形情況。完成210m隧道循環暗挖施工后，超前注漿導管豎向變形數值計算結果表明，超前注漿導管的沉降由隧道拱頂向側壁方向逐漸減小，這主要是因為隧道暗挖引起地層損失過程中拱頂向側壁方向承受的圍巖荷載逐漸減小導致的。同時，沿著隧道縱向超前注漿導管沉降逐漸增大，例如，拱頂正上方注漿導管沉降由0.035mm逐漸增大到0.06mm。相對于施工過程中地表、圍巖及隧道襯砌結構較大的沉降變形，沉降較小的超前注漿導管能有效提高隧道周圍黃土地層的自穩能力，確保施工安全，保障施工進度。值得注意的是，在實際工程中，暗挖和襯砌有一定的時間間隔，襯砌混凝土的強度也隨時間逐漸增長，而在利用FLAC3D軟件內置的空模型數值模擬開挖過程中，襯砌是瞬間完成的，計算的超前支護注漿導管豎向沉降偏小。

4 結語

本文采用現場監測和數值模擬的方法對層狀黃土中淺埋隧道暗挖誘發的地表沉降、圍巖沉降、隧道襯砌結構及超前注漿導管變形特征進行了綜合分析，得到的主要結論如下。

1)層狀黃土中淺埋隧道暗挖誘發的地表及圍巖沉降隨著開挖深度的增大呈兩階段變化特征。地表沉降隨著與隧道中心距離的增大而減小，而圍巖沉降變化特征與黃土地層特性有關，并且隧道施工對地表及圍巖沉降的縱向影響范圍不大于隧道寬度的7倍。

2)隧道襯砌結構沉降隨開挖深度的變化呈兩階段變化特征，初始快速增長段對應的開挖深度<2.0m。層狀黃土中采用0.5m進尺進行暗挖施工能夠滿足隧道襯砌結構受力變形的安全性要求。

3)整個施工期間超前注漿導管由隧道拱頂向拱側及沿著隧道縱向的豎向沉降均相對較小，有效提高了隧道周圍黃土地層的自穩能力。