富水黏土層淺埋隧道圍巖變形規(guī)律研究

■ 中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司 鄧?yán)?/p>

1.工程概況

某暗挖隧道區(qū)間為雙洞單線結(jié)構(gòu)，最小埋深約為10.5m，設(shè)計(jì)采用礦山法施工，支護(hù)結(jié)構(gòu)為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)：以錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土為初期支護(hù)，并輔以注漿小導(dǎo)管作為超前支護(hù)和型鋼鋼架加強(qiáng)支護(hù)，以模筑鋼筋混凝土為二次襯砌。初期支護(hù)與二次襯砌間設(shè)環(huán)向閉合型防水隔離層。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘測(cè)，隧道左線ZDK15+ 728～ ZDK15+758段通過(guò)富水軟弱黏土地層，上覆土層較薄，土體埋深約為11m；表層土層主要為雜填土或可塑黏土，土質(zhì)松軟，自穩(wěn)性極差，遇水膨脹，失水后易造成超固結(jié)，引起較大沉降；施工支護(hù)段掌子面拱頂為可塑至軟塑狀黏土，在有滲漏水的情況下圍巖穩(wěn)定性極差，拱部無(wú)支護(hù)時(shí)，可產(chǎn)生較大的坍塌；底板基巖溶蝕風(fēng)化嚴(yán)重，巖體受裂隙切割成塊狀，發(fā)育溶洞，承載力低，需進(jìn)行地基處理；且隧區(qū)地下水位較高，補(bǔ)給豐富，富水性較強(qiáng)，圍巖穩(wěn)定性差。

隧道力學(xué)理論認(rèn)為，淺埋暗挖隧道上覆地層已無(wú)自承載能力，荷載應(yīng)全部由隧道結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)。但實(shí)踐表明，不僅土層，即使是干砂地層仍能形成自然載拱。對(duì)于富水黏土層，由于埋深淺，周?chē)貙油馏w松散軟弱、粘結(jié)性強(qiáng)，隧道開(kāi)挖擾動(dòng)后，引起隧道周邊土體松弛變形，圍巖變形收縮明顯，極易出現(xiàn)潛在坍滑區(qū)，時(shí)常發(fā)生支護(hù)體系大變形等工程問(wèn)題，難以控制，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)大變形

為有效地預(yù)防與減少施工引發(fā)的地層沉降變形，降低對(duì)周?chē)h(huán)境的損害程度，亟須對(duì)此類(lèi)軟弱圍巖的相關(guān)特性展開(kāi)研究。本文在長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)工作的基礎(chǔ)上，利用振弦式應(yīng)力應(yīng)變采集設(shè)備結(jié)合常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，為設(shè)計(jì)及施工提供技術(shù)參數(shù)，且為以后類(lèi)似工程的建設(shè)積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2.監(jiān)測(cè)方案

2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

為及時(shí)掌握富水黏土地層隧道開(kāi)挖地層變形趨勢(shì)和支護(hù)結(jié)構(gòu)圍巖受力狀態(tài)、多方面評(píng)價(jià)支護(hù)措施的合理性、確保施工過(guò)程的安全穩(wěn)定，根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)擬定監(jiān)測(cè)的內(nèi)容和方法，其中包括地表沉降、拱頂下沉、凈空收斂、圍巖壓力、鋼拱架支撐應(yīng)變等方面，對(duì)隧道施工中的關(guān)鍵部分進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)[1]。

2.2 監(jiān)測(cè)規(guī)劃布置

圖2 隧道初期支護(hù)監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)鞲衅鞑贾脠D

為確保地鐵隧道施工的安全穩(wěn)定，擬在左線隧道（ZDK15+728～ZDK15+758）30 m處選擇多個(gè)監(jiān)測(cè)斷面預(yù)埋測(cè)試元件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其中，每個(gè)斷面布置一個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，洞內(nèi)設(shè)置1個(gè)拱頂下沉點(diǎn)和2條水平測(cè)線，其余圍巖接觸應(yīng)力、型鋼拱架應(yīng)變測(cè)試元件埋設(shè)于拱頂、拱肩、拱腳、仰拱4個(gè)關(guān)鍵位置，測(cè)試斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)如圖2所示。測(cè)試元件采用振弦式傳感器，其構(gòu)造簡(jiǎn)單、受外界影響小、易于防潮，便于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)同時(shí)長(zhǎng)期觀測(cè)，在隧道及地下工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用[2]-[3]。

3.監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 隧道地層沉降變形特征

由于選取試驗(yàn)段地質(zhì)條件和埋深基本相同，變形規(guī)律一致，選取斷面ZDK15+738進(jìn)行具體分析，斷面地表及拱頂沉降歷時(shí)曲線詳見(jiàn)圖3，沉降速率變化曲線如圖4。

在該監(jiān)測(cè)斷面，由于開(kāi)挖引起的地層損失、失水固結(jié)、應(yīng)力釋放和地層加固相互協(xié)調(diào)作用，在隧道支護(hù)和圍巖共同變形的作用下，拱頂下沉和地表沉降都較大，地層總體變形大。拱頂沉降累計(jì)沉降量到達(dá)-45.39mm，因監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于拱架安裝完成并噴射混凝土之后，此時(shí)初期支護(hù)已經(jīng)發(fā)生一定變形，因此實(shí)際拱頂沉降大于-45.39mm，有必要對(duì)初期支護(hù)進(jìn)行加固控制。如圖3、圖4所示，每一次施工工序轉(zhuǎn)換銜接拱頂沉降均發(fā)生一次急劇下沉跳躍分別，為開(kāi)挖后第1天、第4天、第8～9天，此時(shí)間段施工工序分別為：上臺(tái)階開(kāi)挖、下臺(tái)階左、右側(cè)開(kāi)挖及支護(hù)，尤其是上臺(tái)階完成后，拱頂下沉有一個(gè)驟然下降，約-4.83mm/d，下臺(tái)階及仰拱施工則沒(méi)有那么明顯，收斂速率也到達(dá)-3.77mm/d。這是由于上臺(tái)階施工完成，拱架拱腳基底軟弱、承載力不夠，因此發(fā)生較大量值沉降，隨著工序逐步完成，拱架閉合成環(huán)，這種擾動(dòng)影響逐漸降低，經(jīng)過(guò)大約28 天，拱頂累計(jì)沉降值基本趨于穩(wěn)定。

圖3 ZDK15+738斷面地表及拱頂沉降歷時(shí)曲線

圖4 ZDK15+738斷面地表及拱頂沉降速率變化曲線

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

傳感器埋設(shè)完畢后，根據(jù)相應(yīng)計(jì)算公式將傳感器測(cè)試頻率轉(zhuǎn)換為圍巖應(yīng)力與拱架應(yīng)變，然后按照圍巖受力及型鋼混凝土內(nèi)力計(jì)算原理，計(jì)算獲得圍巖接觸應(yīng)力與鋼拱架內(nèi)、外環(huán)應(yīng)力時(shí)態(tài)變化曲線，如圖5～圖7所示（圖中負(fù)值表示受拉，正值表示受壓）。

通過(guò)整理斷面ZDK15+738測(cè)試元件數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常離散性，說(shuō)明傳感器采集數(shù)值穩(wěn)定可靠。隧道開(kāi)挖后圍巖壓力與型鋼拱架內(nèi)外環(huán)應(yīng)力整體呈現(xiàn)開(kāi)始增速較快，后期變化相對(duì)較小直至趨于穩(wěn)定的相同變化特點(diǎn)，這是由于初支混凝土強(qiáng)度逐漸形成，斷面東西側(cè)下導(dǎo)及仰拱分部順序施工，斷面逐步閉合使圍巖變形受到約束，支護(hù)結(jié)構(gòu)逐漸形成整體，抵抗變形能力得到加強(qiáng)，閉合成環(huán)之后受擾動(dòng)圍巖強(qiáng)度的逐漸恢復(fù)，圍巖“拱效應(yīng)”得到充分發(fā)揮，壓力逐漸穩(wěn)定的結(jié)果。不同的是，鋼拱架應(yīng)變?cè)陂_(kāi)始期間變化較明顯，很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這是由于在架立拱架初始，混凝土強(qiáng)度尚未完全形成，拱架與初支混凝土襯砌之間要達(dá)到變形協(xié)調(diào)內(nèi)部需要一個(gè)互相調(diào)整的過(guò)程，在混凝土未完全發(fā)揮作用之前，圍巖壓力主要由型鋼拱架承擔(dān)，因此初期支護(hù)結(jié)構(gòu)架立之后短時(shí)間內(nèi)拱架應(yīng)力值變化明顯，很快達(dá)到高值，同時(shí)也說(shuō)明了鋼拱架對(duì)于提高隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)前期穩(wěn)定性具有重要意義。從整個(gè)支護(hù)體系受力來(lái)看，型鋼拱架所受應(yīng)力較大，架立初期承受了圍巖較大的荷載，對(duì)提高初期支護(hù)的整體強(qiáng)度起到了很好的支護(hù)效果。

圖5 圍巖接觸應(yīng)力變化圖

圖6 鋼拱架內(nèi)環(huán)應(yīng)力變化圖

圖7 鋼拱架外環(huán)應(yīng)力隨時(shí)間變化圖

4.支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

隧道支護(hù)體系作為整體結(jié)構(gòu)，如果僅以受力狀態(tài)絕對(duì)值作為評(píng)價(jià)處于復(fù)雜應(yīng)力條件下襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是不夠完善的，因此，有必要將襯砌結(jié)構(gòu)所受的軸力及彎矩?fù)Q算成安全系數(shù)，同時(shí)結(jié)合隧道地層的變形特征綜合評(píng)價(jià)襯砌的支護(hù)效果。安全系數(shù)的計(jì)算方法結(jié)合《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范TB10003-2005》，為了方便分析問(wèn)題，依然選取斷面ZDK15+738截面進(jìn)行受力分析。截面內(nèi)力計(jì)算模型如圖8所示。

根據(jù)鋼拱架內(nèi)外緣各點(diǎn)穩(wěn)定后應(yīng)變，計(jì)算截面軸力和彎矩，大致繪制出軸力和彎矩圖，如圖9～圖10所示。

根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果可知，斷面初期支護(hù)主要承受軸向壓力，所受彎矩相對(duì)較小，因此，只需對(duì)截面各位置軸力進(jìn)行強(qiáng)度校核，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)承載是否滿(mǎn)足要求。結(jié)合《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ138-2001）[4]中初期支護(hù)截面型鋼混凝土構(gòu)件偏心受壓計(jì)算公式，對(duì)正截面承載力進(jìn)行強(qiáng)度校核，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)承載力是否滿(mǎn)足要求，并計(jì)算截面各位置軸力的安全系數(shù)，對(duì)隧道初期支護(hù)穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，對(duì)斷面幾處關(guān)鍵截面校核情況匯總（表1）。斷面各最不利截面支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均大于現(xiàn)行地鐵隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)2.0，符合規(guī)范要求，說(shuō)明此處富水黏土層斷面初期支護(hù)強(qiáng)度是安全穩(wěn)定的，同時(shí)為了加強(qiáng)支護(hù)剛度，可通過(guò)增加混凝土厚度等措施來(lái)提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖8 截面內(nèi)力計(jì)算模型

圖9 截面軸力示意圖

圖10 截面彎矩示意圖

表1 斷面ZDK16+995初期支護(hù)安全系數(shù)

5.結(jié)論

礦山法是地鐵隧道施工中傳統(tǒng)且較為常見(jiàn)的方法，礦山法施工中最為不利的巖層是較軟或含水量大的地層。本文基于礦山法隧道穿越富水黏土地層時(shí)引發(fā)大變形為工程背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)位移及支護(hù)體系內(nèi)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)隧道開(kāi)挖誘發(fā)地層和支護(hù)體系變形規(guī)律展開(kāi)研究，得出以下結(jié)論：

（1）富水軟弱地層隧道變形是多因素綜合作用的產(chǎn)物，由于開(kāi)挖引起的地層損失、失水固結(jié)、應(yīng)力釋放和地層加固相互協(xié)調(diào)作用，在隧道支護(hù)和圍巖共同變形的作用下，拱頂下沉和地表沉降都較大、地層總體變形大。

（2）從位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，每一次施工工序轉(zhuǎn)換銜接拱頂沉降均發(fā)生一次急劇下沉跳躍,尤其是上臺(tái)階完成后，隨著工序逐步完成，拱架閉合成環(huán)，這種擾動(dòng)影響逐漸降低，經(jīng)過(guò)大約28 天，拱頂累計(jì)沉降值基本趨于穩(wěn)定。

（3）從支護(hù)結(jié)構(gòu)整體受力狀態(tài)來(lái)看，實(shí)測(cè)斷面圍巖壓力總體較大。型鋼拱架在架立初期應(yīng)力值增速較快，對(duì)于提高隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)前期穩(wěn)定性發(fā)揮了重要作用，待噴射混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，混凝土繼續(xù)承擔(dān)支撐作用，二者協(xié)調(diào)作用，作為二襯施作之前的主要承載結(jié)構(gòu)效果顯著。

（4）從斷面測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定后截面內(nèi)力分布分析，斷面整體受壓，最大壓力和最大彎矩均出現(xiàn)在右側(cè)拱肩位置，經(jīng)計(jì)算此處初期支護(hù)安全系數(shù)較小，為2.18，可通過(guò)增加混凝土厚度等措施加強(qiáng)對(duì)此處位置的風(fēng)險(xiǎn)管控。