上軟下硬地層隧道變形規律及預留變形量研究

田國鋒、黃引、余龍光、楊強、付抗

（中建鐵路投資建設集團有限公司，北京 100053）

1 預留變形量組成

隧道開挖后圍巖的總變形量

μ

，包括掌子面未到達監測斷面前，斷面發生的變形（超前變形，也稱先行位移）

μ

，掌子面通過監測斷面后量測工作開始前的變形（初始變形）

μ

和量測工作開始后的變形（量測變形）

μ

。全變形為隧道在有支護條件下的最大變形量，如圖1 所示。

圖1 預留變形量組成

通常情況下，二次襯砌在隧道使用過程中起安全儲備作用，基本不受圍巖壓力影響，因此預留變形量可表示如公式（1）：

式（1）中：

μ

為初始變形量；

μ

為量測變形。

2 變形規律及預留變形量研究

2.1 工程概況

區間隧道為單洞單線馬蹄形淺埋小跨隧道，隧道拱頂距道路路面約16.6～25.6m，右線長743.042m，左線長738.428m，左右線隧道中心線間距為16.6m。隧道結構共有A1 型、A2 型、B 型、C 型、D 型五種斷面形式，其中C 型斷面寬7.5m，高7.2m，斷面左線長度為414.58m、右線長度為534.15m，C 型斷面區間總長為948.73m。C 型斷面范圍內的隧道拱頂覆巖較薄，局部范圍拱頂區域位于回填土層中，圍巖基本分級為Ⅴ級，圍巖設計等級為Ⅵ級，成洞條件極差，隧道無支護時，易發生拱頂坍塌甚至冒頂，路基沉降控制難度極大，巖土物理力學參數如表2 所示。

表2 巖土物理力學參數

巖土類型回填土拱頂覆巖彈性模量/MPa 200泊松比摩擦角/°0.45容重（kN/m3）21黏聚力/kPa 20 29.5 27 1500 0.32 25.6 200

由于區間上軟下硬地層主要集中在C 型斷面內，因此主要圍繞C 型斷面研究變形規律及預留變形量，研究選取“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”“全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”兩種工況展開。

2.2 數值模擬

運用FLAC3D 軟件模擬“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”“全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”兩種工況下預埋襯砌隧道開挖過程，分析進洞5m、16m、25m 處（即入口、中部、出口三個斷面）的拱頂沉降對開挖步變化的響應。

2.2.1 “巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況

圖2 展示了“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況下不同斷面位置的拱頂沉降量及變化速率隨開挖步變化的規律。根據圖2 可以發現，當隧道開挖掌子面（開挖長度）位于選測斷面位置時，拱頂沉降量突變，并在掌子面超過斷面一定范圍內繼續變形，后收斂。具體表現為：進洞5m 處（入口斷面）拱頂測點在掌子面位于入口斷面附近時變化速率最大，之后沉降變化速率迅速減緩，至掌子面位于入口斷面前方15m處收斂；進洞16m 處（中部斷面）拱頂沉降在掌子面開挖至12m（即掌子面位于中部斷面后方4m）時開始出現較明顯變化，直至掌子面位于中部斷面16m 處完全收斂；進洞25m 處（出口斷面）拱頂沉降與中部斷面沉降變化基本一致，當掌子面位于監測斷面前后方4m范圍時變化最明顯。

圖2 “巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況下不同斷面位置的拱頂沉降量

2.2.2 “全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”工況

圖3 展示了“全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”工況下不同斷面位置的拱頂沉降量及變化速率隨掌子面變化的規律，其變化規律與“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況下基本相似。兩者都表現為：當掌子面位于監測斷面后方4m 至前方16m 范圍時，監測斷面拱頂沉降有較大變化。但不難發現，“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況下不同監測斷面的沉降值均大于相同條件下“全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”工況下的沉降值，兩種工況下入口斷面處13.7mm 和9.01mm 的最大（收斂）沉降量云圖（見圖4）也說明了這個問題。

圖3 “全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”工況下不同斷面位置的拱頂沉降量

圖4 兩種工況下入口斷面處最大（收斂）沉降量云圖

2.3 室內模型試驗

結合工程實際及數值模擬分析結果發現，相較于“全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”工況，“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況更為不利，為節約試驗成本，僅對“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況進行室內模型試驗。室內模型試驗的目的主要在于探究隧道開挖時的變形規律，通過相似材料配比試驗確定各試驗材料參數，根據1∶25 的幾何相似關系，確定隧道模型毛洞內徑為0.3m，邊界情況為2.50m×1.25m×2.15m（長×寬×高），然后進行相似材料的澆筑以及安裝應變片、土壓力盒、單點位移計等儀器設備，儀器設備安裝在入口、中部和出口斷面處（與2.2節數值模擬相對應），并進行數據采集設備的連接及調試。現場實際施工中采用兩臺階預留核心土開挖方式，開挖進尺為0.5m，根據相似比理論，模型試驗的開挖進尺僅為2cm，難以操作，因此結合試驗現場情況，將開挖方式簡化為兩臺階開挖（見圖5）。

圖5 開挖縱斷面圖

圖6 展示了開挖過程中入口、中部兩個斷面（出口斷面拱頂應變片失效，未監測到數據）拱頂沉降值隨開挖步的變化。從入口斷面拱頂沉降變化曲線可以發現，隨著開挖試驗的進行，入口斷面首先出現拱頂沉降，并在下臺階1 開挖完成時（即剛開挖通過入口斷面）出現一次突變值，該值約占整體變形的40%～50%，與實際施工中隧道的變形規律一致。在上臺階2 到下臺階3 的開挖過程中，入口斷面拱頂沉降持續減小，而下臺階3 至下臺階5 范圍內入口斷面拱頂沉降變化不大，當隧道開挖進行到下臺階3 時（即掌子面距入口斷面62.4cm），根據相似比理論，說明前方開挖對已開挖隧道斷面拱頂沉降的影響范圍約為16m。

圖6 不同開挖步時拱頂沉降值

通過中部斷面拱頂沉降變化曲線可以發現，開挖試驗剛進行時，中部斷面拱頂沉降變形很小，在上臺階2 至下臺階5 的開挖過程中（下臺階5 距中部斷面62.4cm），中部斷面拱頂沉降持續減小，同樣說明前方開挖16m 范圍對已開挖隧道斷面拱頂沉降有顯著影響。但是由于此時模型隧道已完全貫通，無法判定后續開挖是否會對中部斷面沉降有較大影響。

2.4 現場量測變形量分析

在現場量測中，左右線共計約948m，按照每10m布置一個量測點的原則，剔除失效和被遮擋的量測點，共計獲得90 個有效拱頂沉降量測數據（見圖7）。根據圖中的量測數據可以發現，拱頂沉降值小于20mm 約占總體的88%，小于30mm 約占總體的97%，其中沉降數值大于20mm 的區域范圍基本處于“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”地層。同時，實際施工過程中，累計沉降值大部分集中在10～20mm，與數值模擬結果基本一致，但也存在部分異常值，最大值達到35mm，最小值僅3.42mm 左右，這是由于施工現場地質構造相對復雜，與數值模擬中的完全均值假定不同，某一小段圍巖存在裂隙或滲水等不良條件，導致該段沉降遠大于其他位置，符合一般規律。

圖7 隧道拱頂沉降量保證率關系圖

另外，在實際施工過程中，由于隧道洞身開挖完成后，要先進行初期支護，再進行測點布設，此時掌子面量測工作尚未開始，但已發生初始變形。根據室內模型試驗現象——隨著模型開挖試驗的開挖，選測斷面出現一次突變值，占整體變形的40%～50%左右，可認為初始變形占整體變形的40%～50%，選取50% 進行分析，根據預留變形量表示公式，此時初始變形量與量測變形量一致。

因此，在保證高保證率以及高經濟性的情況下，60mm 為“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況下上軟下硬地層預留變形量合理建議值，40mm 為“全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”工況下上軟下硬地層預留變形量合理建議值。40～60mm 為預留變形量的合理取值區間。

3 結論

通過數值模擬、室內模型試驗及統計分析等方法，分析上軟下硬地層淺埋地鐵隧道變形規律及預留變形量，得出以下結論：

第一，當掌子面位于監測斷面后方4m 至前方16m范圍時，監測斷面拱頂沉降有較大變化。

第一，“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況下，不同監測斷面的沉降值均大于相同條件下“全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”工況下的沉降值。

第三，在保證高保證率以及高經濟性的情況下，60mm 為“巖層+拱頂原狀土+上覆回填土”工況下上軟下硬地層預留變形量合理建議值，40mm 為“全斷面巖層+拱頂薄賦巖+上覆回填土”工況下上軟下硬地層預留變形量合理建議值。