軟土地區(qū)淺埋暗挖大斷面隧道拱頂沉降實(shí)測分析

魏 綱， 姚王晶， 許 斌， 石長江， 傅 翼， 王 哲，*

(1. 浙江大學(xué)城市學(xué)院土木工程系， 浙江 杭州 310015； 2. 浙江工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所， 浙江 杭州 310014；3. 中國建筑西南勘察設(shè)計(jì)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(shè)投資集團(tuán)有限公司， 浙江 杭州 310002)

0 引言

淺埋暗挖隧道的初期支護(hù)一般為柔性支護(hù)，相對于盾構(gòu)隧道的管片襯砌而言，柔性支護(hù)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(nèi)的穩(wěn)定性，開挖后初期支護(hù)變形過快、變形量過大，是隧道洞內(nèi)發(fā)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(huì)導(dǎo)致初期支護(hù)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(nèi)變形規(guī)律的分析具有重要意義。

目前針對隧道洞內(nèi)變形規(guī)律的研究，在南方軟黏土地區(qū)，關(guān)于盾構(gòu)法隧道洞內(nèi)變形規(guī)律研究較多[4-6]； 在北方的黃土與粉質(zhì)黏土地區(qū)，對淺埋暗挖法隧道洞內(nèi)變形規(guī)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(shí)，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(shí)，拱頂沉降量往往達(dá)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(shí)，產(chǎn)生的平均拱頂沉降達(dá)192 mm，出口淺埋段部分拱頂沉降達(dá)450 mm左右[10-11]; 深圳地鐵1期3A標(biāo)國老區(qū)段采用淺埋暗挖法開挖時(shí)，沉降量也達(dá)到200 mm[12]； 深圳地鐵1期第6標(biāo)段采用淺埋暗挖法開挖時(shí)，沉降量達(dá)到200 mm[13]。在現(xiàn)有實(shí)測分析中,針對城市軟土地區(qū)大斷面淺埋暗挖隧道的分析較少，且缺乏對此類隧道土質(zhì)條件、開挖工法、環(huán)境變化等單因素的實(shí)測比較分析，因此需對該類隧道作進(jìn)一步研究。

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

1 現(xiàn)場監(jiān)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(shè)1對匝道，線路全長14.4 km，是杭州市“四縱五橫”快速網(wǎng)絡(luò)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(biāo)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(zhì)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(zhì)粉質(zhì)黏土為主，上部為回填土。

1)紫之隧道1號(hào)標(biāo)段淺埋暗挖段各土層地質(zhì)條件描述如下：

①-1雜填土，無層理，質(zhì)不均。

①-2素填土，無層理，質(zhì)不均。

②-1粉質(zhì)黏土，軟可塑，干強(qiáng)度中等。

③ 淤泥質(zhì)粉質(zhì)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(jī)質(zhì)斑點(diǎn); 韌性高，干強(qiáng)度高。

⑤ 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，流塑，飽和，含少量有機(jī)質(zhì)，下部夾有少量粉土薄層； 韌性中等，干強(qiáng)度高。

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

〈12〉-2強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，粉砂結(jié)構(gòu)，中厚構(gòu)造層，泥質(zhì)膠結(jié)，礦物風(fēng)化蝕變明顯，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯以碎塊狀為主，巖質(zhì)軟，錘擊易碎。

〈12〉-3 中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖， 粉砂結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，局部夾有粉砂質(zhì)泥巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯以柱狀、長柱狀為主，巖質(zhì)軟，錘擊易碎，易風(fēng)化，遇水軟化，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD=65%～85%，巖體完整性一般。

〈15〉-1 全風(fēng)化玄武玢巖，斑狀結(jié)構(gòu)，礦物分化劇烈，巖芯呈可塑狀粉質(zhì)黏土，刀可切開，原巖基本結(jié)構(gòu)破壞，原巖結(jié)構(gòu)不清晰。

〈15〉-2 強(qiáng)風(fēng)化玄武玢巖，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物風(fēng)化蝕變明顯，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯以碎塊為主，巖質(zhì)較硬，錘擊可碎。

〈15〉-3 中風(fēng)化玄武玢巖，斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)交織結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙稍發(fā)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(xì)脈，巖質(zhì)堅(jiān)硬，錘擊不易碎。

2)水文地質(zhì)條件如下：

全新統(tǒng)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(zhì)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(bǔ)給及地表水體下滲補(bǔ)給為主，與河塘有側(cè)向互為補(bǔ)給關(guān)系，徑流緩慢，以蒸發(fā)排泄和向附近河塘側(cè)向徑流排泄為主，水位隨季節(jié)氣候動(dòng)態(tài)變化明顯。

更新統(tǒng)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(zhì)有含碎石、礫石粉質(zhì)黏土、含黏性土碎石，土體呈中密實(shí)狀態(tài)，滲透性差，水量貧乏。水位動(dòng)態(tài)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(zhì)剖面見圖1，各土層的物理力學(xué)指標(biāo)見表1，各巖層的物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表2巖層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

Table 2 Index of physico-mechanical properties of rock layers

層號(hào)巖層名稱地基土承載力特征值/kPa土、石等級(jí)圍巖等級(jí)<12>-2強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖180ⅢⅤ<12>-3中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖350ⅣⅣ<15>-1全風(fēng)化玄武玢巖180ⅢⅤ<15>-2強(qiáng)風(fēng)化玄武玢巖280ⅢⅤ<15>-3中風(fēng)化玄武玢巖1 000ⅣⅣ

1.3 隧道設(shè)計(jì)和施工方案

本文研究對象為紫之隧道第1標(biāo)段淺埋暗挖段，為雙線隧道(見圖2)，進(jìn)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(shí)際工程中采用CRD工法、四臺(tái)階法、上臺(tái)階中隔壁法進(jìn)行施工，具體施工步驟與文獻(xiàn)[14]提到的施工步驟類似，四臺(tái)階法與三臺(tái)階七部法相似； 上臺(tái)階中隔壁法相比于臨時(shí)仰拱臺(tái)階法，不保留核心土而增加豎向支撐。

圖2 隧道進(jìn)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(biāo)段淺埋暗挖段施工工序?yàn)椋?1) 隧道在地質(zhì)較復(fù)雜地段采用超前地質(zhì)鉆探進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)； 2) 對開挖區(qū)域進(jìn)行超前支護(hù)，有超前大管棚+單排超前小導(dǎo)管+全斷面注漿和φ42 mm×4 mm雙層超前注漿小導(dǎo)管@30 cm(同一斷面上導(dǎo)管之間的間距)×300 cm(斷面間隔距離)、l=450 cm(注漿導(dǎo)管長度)2種形式。管棚為φ108 mm熱軋無縫鋼管，壁厚6 mm，節(jié)長4～6 m，接頭用長15 cm的絲扣直接對口連接，管棚中增設(shè)由4根φ22 mm主筋和固定環(huán)組成環(huán)向間距為30 cm的鋼筋籠。

實(shí)際開挖中，西線K0+792～K1+043段采用CRD工法，K1+043～+073段采用四臺(tái)階法，其余采用上臺(tái)階中隔壁法開挖。淤泥質(zhì)黏土段采用CRD工法開挖時(shí)，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(zhì)黏土層，進(jìn)入淤泥質(zhì)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(nèi)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(tái)階中隔壁法施工見圖3，CRD工法施工見圖4。

圖3 隧道洞內(nèi)上臺(tái)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(jiān)測項(xiàng)目及測點(diǎn)布置

CRD工法隧道洞內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)布置示意見圖5。由圖5可知，CRD工法開挖時(shí)隧道洞內(nèi)每個(gè)斷面布置： 1)拱頂測點(diǎn)J1、J2(在每個(gè)導(dǎo)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(jiān)測線S1-2、S1-3、S2-3(在1部掌子面開挖至拱腰位置時(shí)立即布置，點(diǎn)1為拱頂點(diǎn)，點(diǎn)2布置在豎向支撐上，點(diǎn)3布置于對應(yīng)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(jiān)測點(diǎn)S7-8、S8-9； 3) 拱頂拱腰差監(jiān)測點(diǎn)G1-2、G2-5。

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

拱頂沉降與仰拱隆起采用精確水準(zhǔn)儀測量測點(diǎn)與不動(dòng)點(diǎn)的絕對位移，周邊收斂采用收斂計(jì)進(jìn)行測量。拱頂沉降、周邊收斂與仰拱隆起的監(jiān)測頻率在前15 d為1次/d，如果沉降趨于穩(wěn)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(nèi)監(jiān)測點(diǎn)布置示意

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

圖6四臺(tái)階法與上臺(tái)階中隔壁法隧道洞內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)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(shí)測變形規(guī)律分析

2.1 淤泥質(zhì)黏土段隧道變形規(guī)律

1)西線K0+877～+887段拱頂沉降隨時(shí)間變化曲線見圖7(圖7中正值代表沉降，負(fù)值代表隆起，下同)。該段屬于淤泥質(zhì)黏土段，采用CRD工法開挖，測點(diǎn)為圖5中拱頂沉降點(diǎn)J1。K0+877處1部的拱頂沉降監(jiān)測點(diǎn)于2015年1月17日布置(監(jiān)測點(diǎn)布置當(dāng)日為讀數(shù)零點(diǎn)，下同)，初期支護(hù)在2～3 d后封閉； K0+882處1部的拱頂沉降監(jiān)測點(diǎn)于1月20日布置，初期支護(hù)在2～3 d后封閉； K0+887處1部的拱頂沉降監(jiān)測點(diǎn)于1月28日布置，初期支護(hù)在2～3 d后封閉。

圖7 K0+877～ +887段拱頂沉降隨時(shí)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(yuǎn)超警戒值(20 mm)； 沉降持續(xù)時(shí)間為20 d左右。這是因?yàn)樵诒O(jiān)測點(diǎn)布置前，隧道拱頂已經(jīng)產(chǎn)生了較大的超前沉降，而這部分沉降未被監(jiān)測到[15]，所以實(shí)際沉降會(huì)大于所測得的沉降。

2)K0+872與K0+877斷面拱腰處收斂隨時(shí)間變化曲線見圖8(圖中正值代表收斂，負(fù)值代表擴(kuò)張)。K0+872處1部收斂監(jiān)測點(diǎn)于1月12日布置，初期支護(hù)在1～2 d后封閉，2部周邊收斂監(jiān)測點(diǎn)于1月20日布置，初期支護(hù)在1～2 d后封閉； K0+877處1部收斂監(jiān)測點(diǎn)于1月17日布置，初期支護(hù)在1～2 d后封閉，2部周邊收斂監(jiān)測點(diǎn)于1月23日布置，初期支護(hù)在1～2 d后封閉。

圖8 K0+872～+877段拱腰處收斂隨時(shí)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(guī)律為先收縮，初期支護(hù)封閉后又?jǐn)U張，二部開挖后又收縮。這說明隧道不僅發(fā)生了收縮，在收縮后隧道形狀又發(fā)生了橢圓化的變形。有一個(gè)測點(diǎn)的最大值超過了警戒值(20 mm)，說明隧道發(fā)生的橢圓化變形比較明顯。

3)K0+870～+880段的拱頂沉降隨時(shí)間變化曲線見圖9。由圖9可知： 仰拱隆起的監(jiān)測點(diǎn)于初期支護(hù)仰拱閉合后布置，在4月20日之前，仰拱隆起的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)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(chǎn)生沉降，至9月6日分別產(chǎn)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(jiān)測點(diǎn)顯示，二次襯砌幾乎不產(chǎn)生收斂。從監(jiān)測數(shù)據(jù)中可以推斷出，二次襯砌完成后，隧道還產(chǎn)生了較大的整體沉降，其原因是： 由于隧道處于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中，對應(yīng)隧道基底承載力不足，導(dǎo)致隧道整體下沉。建議在對隧道進(jìn)行高壓旋噴樁超前加固時(shí)，應(yīng)加深樁體的長度，使隧道下部區(qū)域的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土也得到加固，增強(qiáng)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(shí)測值進(jìn)行比較(該隧道圍巖等級(jí)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(kuò)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(zhì)條件較好的粉質(zhì)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(shí)間變化曲線見圖10。由圖10可知： K0+872、K0+877、K0+882、K0+887處所產(chǎn)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(shí)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(shí)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(hù)達(dá)到穩(wěn)定后，要拆除臨時(shí)仰拱與縱向支撐，臨時(shí)仰拱與縱向支撐拆除后，隧道拱頂又會(huì)產(chǎn)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(shí)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(chǎn)生的沉降持續(xù)了40 d左右，穩(wěn)定所需的時(shí)間也較長。因此，在拆撐后需要注意隧道的穩(wěn)定，當(dāng)變化速率過快時(shí)，需要減緩拆撐速度，防止初期支護(hù)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(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性判斷是否適合施作。

與張建國等[17]實(shí)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(zhì)黏土中，相比廈門翔安隧道土質(zhì)更差，當(dāng)臨時(shí)支撐拆除后，初期支護(hù)與周邊土體的平衡被打破，而周邊土體自穩(wěn)性差，所以對初期支護(hù)產(chǎn)生了較大的壓力，使初期支護(hù)再次產(chǎn)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(shí)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(xiàn)降雨。降雨對拱頂沉降會(huì)產(chǎn)生較大影響，在持續(xù)降雨、隧道開挖所在土層土質(zhì)條件較差的情況下，會(huì)導(dǎo)致土體強(qiáng)度下降、上覆荷載增加，初期支護(hù)所承受的壓力達(dá)到極限，從而使支護(hù)失穩(wěn)，導(dǎo)致拱頂沉降發(fā)生突變。如果不及時(shí)加固，就有可能導(dǎo)致坍塌。

表3 K0+902～ +922段開挖時(shí)天氣情況

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

天氣持續(xù)時(shí)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(shí)間變化曲線見圖12，初期支護(hù)一般于開挖后3 d內(nèi)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(shí)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(jiān)測點(diǎn)布置當(dāng)日就產(chǎn)生了突變沉降，突變量為67.27 mm。從現(xiàn)場情況分析，導(dǎo)致拱頂沉降發(fā)生突變的原因?yàn)椋?①由于上部土體為雜填土，滲透系數(shù)大，雨水滲入土體使土體增重，隧道上部荷載增加，導(dǎo)致超載； ②連續(xù)的降雨使現(xiàn)場洞內(nèi)的滲水量增大，說明土體中水的滲透力增大，使土體的強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

2)K1+132～+141段拱頂沉降隨時(shí)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(qū)域發(fā)生了大規(guī)模降雨，K1+132～+141段在11月17日至18日拱頂沉降也產(chǎn)生了突變，且突變量很大，達(dá)到146.01 mm。主要原因是： ①此段隧道開挖土層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，而上部土體為雜填土，當(dāng)降雨量較大時(shí)，上部土體由于雨水滲入導(dǎo)致重度增大，從而增大了上覆荷載，使隧道初期支護(hù)受到的壓力增大； ②雨水滲透時(shí)的滲流力也會(huì)使隧道初期支護(hù)受到的壓力增大； ③水能很快滲入至強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，而強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖被水浸泡后會(huì)軟化，使彈性模量減小，導(dǎo)致開挖層土體強(qiáng)度降低。上述原因的共同作用導(dǎo)致了拱頂沉降產(chǎn)生突變。

圖12 K0+902～+922拱頂沉降隨時(shí)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(dāng)拱頂沉降產(chǎn)生突變時(shí)，從洞內(nèi)觀察到滲水情況比較嚴(yán)重，且積水增多。因此，淺埋暗挖隧道施工過程中，當(dāng)洞內(nèi)積水增多時(shí)，要加強(qiáng)隧道變形的監(jiān)測，防止隧道失穩(wěn)坍塌。必要時(shí)，需要在地表設(shè)置降水井，降低地下水位，減小圍巖和初期支護(hù)受到的壓力。在設(shè)置初期支護(hù)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加鎖腰錨桿、鎖腳錨桿的數(shù)量，減小鋼拱架之間的距離以增強(qiáng)初期支護(hù)的強(qiáng)度。

2.4 施工工法及土質(zhì)對拱頂沉降的影響

1)K0+985～K1+042段最終拱頂沉降值隨測點(diǎn)里程變化見圖14。由圖14可知： ①當(dāng)采用CRD工法在淤泥質(zhì)黏土層中開挖時(shí)，拱頂沉降為140～160 mm； ②當(dāng)掌子面下部逐漸出現(xiàn)含黏性土碎石層時(shí)，拱頂沉降減小至110～120 mm； ③當(dāng)隧道掌子面上部逐漸由淤泥質(zhì)黏土層變?yōu)楹ば运槭瘜?，下部逐漸由含黏性碎石變?yōu)閺?qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖時(shí)，沉降進(jìn)一步減小至70～80 mm； ④當(dāng)掌子面上部淤泥質(zhì)黏土基本消失，斷面以強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主時(shí)，沉降減小至20～30 mm。CRD工法在淤泥質(zhì)黏土層中開挖所引起的拱頂沉降平均值，約為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中的6.5倍。

由監(jiān)測結(jié)果可知，隧道開挖過程中，土體強(qiáng)度對拱頂沉降的影響很大。即使土質(zhì)條件變好，也要適當(dāng)調(diào)整超前加固方法、開挖工法以及支護(hù)手段，在保證安全的情況下，使工程進(jìn)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(diǎn)里程變化見圖15。由圖15可知： ①施工工法改為四臺(tái)階法后，拱頂沉降增大至130～180 mm； ②施工工法改為上臺(tái)階中隔壁法后，拱頂沉降又減小至100～120 mm。在強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中，CRD工法、四臺(tái)階法、上臺(tái)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(shí)，不同土質(zhì)條件對拱頂沉降影響較大，在淤泥質(zhì)軟土中開挖時(shí)，采用CRD工法依舊產(chǎn)生了較大的拱頂沉降，當(dāng)掌子面完全穿過淤泥質(zhì)黏土層后，沉降明顯減??； ②工法改為四臺(tái)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(shí)仰拱減小拱頂沉降的作用十分明顯； ③采用四臺(tái)階法優(yōu)化后的上臺(tái)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(shí)，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(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中開挖，采用CRD工法開挖產(chǎn)生的拱頂沉降較小，但工序復(fù)雜、掘進(jìn)速度慢； 四臺(tái)階法雖然工序簡單，理論上掘進(jìn)速度快，但由于產(chǎn)生的沉降過大，一定程度上影響了掘進(jìn)的速度和安全性。綜合兩者的優(yōu)劣，上臺(tái)階中隔壁法一定程度上減少了施工的工序，加快了掘進(jìn)進(jìn)度，減小了拱頂沉降，加強(qiáng)了開挖的安全性。

3 結(jié)論與建議

1) CRD工法在淤泥質(zhì)黏土中測得的拱頂沉降較大，并且隧道在收斂過程中產(chǎn)生了橢圓化變形； 二次襯砌完成后，隧道產(chǎn)生了整體沉降變形，建議隧道進(jìn)行高壓旋噴樁超前加固時(shí)，應(yīng)加固至隧道基底下方； 初期支護(hù)拆撐也會(huì)產(chǎn)生較大沉降，且沉降持續(xù)時(shí)間較長，因此有必要對拆撐段進(jìn)行監(jiān)測； 二次襯砌的施作時(shí)間也要結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)合理進(jìn)行。

2) 降雨會(huì)使上部土體超載，且雨水滲透、浸泡開挖面土層會(huì)使土層強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致初期支護(hù)變形加大，拱頂沉降產(chǎn)生突變。洞內(nèi)滲水積水增加時(shí)，要加強(qiáng)隧道變形監(jiān)測，在設(shè)置初期支護(hù)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加鎖腰錨桿、鎖腳錨桿的數(shù)量，減小鋼拱架之間的距離，以增強(qiáng)初期支護(hù)的強(qiáng)度，做到“強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”。

3) 采用CRD工法在淤泥質(zhì)黏土中引起的拱頂沉降平均值為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中的6.5倍； CRD工法在淤泥質(zhì)黏土中開挖與四臺(tái)階法在強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中開挖所引起的拱頂沉降都較大； 在強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中，CRD工法、四臺(tái)階法、上臺(tái)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(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中采用的工法仍有改進(jìn)的空間，拱頂沉降的數(shù)據(jù)采用理論公式較難準(zhǔn)確地?cái)M合。在接下來的研究中，建議采用有限元模擬，結(jié)合本工程實(shí)測數(shù)據(jù)以及與本工況較接近工程的實(shí)測數(shù)據(jù)，提出合理的參數(shù)，進(jìn)行拱頂沉降的預(yù)測，對隧道整體沉降產(chǎn)生的原因和后果以及對地表沉降的影響作進(jìn)一步分析。