超前加固和初期支護(hù)對(duì)淺埋隧道地表沉降控制的貢獻(xiàn)率分析

高文山，王立川, ，章慧健，張樂拉，趙偉，侯峰

超前加固和初期支護(hù)對(duì)淺埋隧道地表沉降控制的貢獻(xiàn)率分析

高文山1，王立川1, 2，章慧健2，張樂拉2，趙偉1，侯峰1

(1. 中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222；2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

為研究淺埋軟巖隧道不同支護(hù)方式對(duì)地表沉降的影響，以硅藻土地層飛鳳山隧道斜井試驗(yàn)段為依托，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，研究超前加固和初期支護(hù)對(duì)淺埋硅藻土隧道地表沉降控制的貢獻(xiàn)率差異。研究結(jié)果表明：初期支護(hù)與無支護(hù)工況相比，地表測(cè)點(diǎn)位移變化為：掌子面前方測(cè)點(diǎn)減少31.7%，后方測(cè)點(diǎn)減少77.2%，可見初期支護(hù)對(duì)地表沉降控制貢獻(xiàn)顯著；超前加固與無支護(hù)工況相比，地表測(cè)點(diǎn)位移變化為：掌子面前方測(cè)點(diǎn)減少55.5%，后方測(cè)點(diǎn)幾乎無變化，可見超前加固(掌子面約束)對(duì)其前方地表沉降控制貢獻(xiàn)相對(duì)顯著，但對(duì)其后方沉降控制貢獻(xiàn)低；此外值得注意的是掌子面擠出位移減少了80.4%，改善作用明顯；同時(shí)實(shí)施初期支護(hù)和超前加固可近似認(rèn)為是僅初期支護(hù)和僅超前加固的疊加結(jié)果。研究成果可為依托工程及今后類似淺埋隧道提供參考。

硅藻土；鐵路隧道；超前加固；初期支護(hù)；地表沉降

硅藻土(巖)作為一種軟土(巖)地層，具有孔隙比大、密度小、結(jié)構(gòu)松散、節(jié)理發(fā)育、壓縮性大、遇水易軟化等工程特性[1?3]。目前隧道穿越硅藻土地層的施工經(jīng)驗(yàn)較少，且相應(yīng)的地表沉降規(guī)律研究也不足，尤其對(duì)于采用無砟軌道的高鐵隧道而言，幾無可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。另一方面，對(duì)于其他類似軟弱圍巖中淺埋隧道開挖引起的地表沉降規(guī)律已有較多的研究成果[4?8]。國內(nèi)外學(xué)者從理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等方面，對(duì)超前加固和初期支護(hù)等手段控制地表沉降的效果進(jìn)行了相關(guān)研究。諶軍[9]通過有限元數(shù)值模型分析了淺埋隧道開挖對(duì)圍巖變形以及地表沉降的影響作用及不同的支護(hù)時(shí)機(jī)和初期支護(hù)強(qiáng)度對(duì)圍巖的沉降變形的影響作用。戴亞軍等[10]通過數(shù)值模擬方法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)原支護(hù)方案“單層鋼拱架初期支護(hù)＋雙層二次襯砌”進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的支護(hù)方案更好地控制了地層變形，減小了二次襯砌的受力；金大龍等[11]通過自制模型試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)量了砂土土樣地表變形和開挖面支護(hù)壓力，分析研究了地表沉降、隆起與開挖面支護(hù)壓力之間的關(guān)系，通過測(cè)量不同覆土厚度情況下的擾動(dòng)區(qū)域范圍，建立了開挖面前方土體沉降和隆起破壞模型；張藝騰等[12]以鄭萬高鐵湖北段軟弱圍巖隧道全斷面施工為工程背景，采用數(shù)值模擬軟件從圍巖位移、塑性區(qū)方面研究了掌子面錨桿對(duì)掌子面的加固效果，發(fā)現(xiàn)掌子面錨桿對(duì)掌子面擠出變形及掌子面前方圍巖塑性區(qū)控制效果顯著，得到掌子面錨桿的合理長(zhǎng)度范圍。對(duì)于初期支護(hù)和掌子面支護(hù)的控制變形方面已有不少的研究，但針對(duì)硅藻土隧道超前加固和初期支護(hù)措施分別對(duì)地表沉降的影響占比研究較少。本文以硅藻土地層飛鳳山隧道斜井試驗(yàn)段為依托，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段，研究超前加固和初期支護(hù)對(duì)淺埋軟巖隧道地表沉降的影響差異。

1 工程概況

飛鳳山隧道全長(zhǎng)1 331 m，位處杭紹臺(tái)高鐵里程DK84+449～DK85+780區(qū)間，該隧道進(jìn)口段和出口段均穿越硅藻土地層。為研究硅藻土隧道力學(xué)特性與施工控制技術(shù)，在出口端斜井設(shè)置了試驗(yàn)段，如圖1所示。該試驗(yàn)段長(zhǎng)度為=115 m，最大埋深23 m，主要穿越硬土狀白色、蘭色硅藻土地層，地層節(jié)理發(fā)育、節(jié)理面微弱滲水并伴有微弱裂 隙水。

(a) 斜井平面圖；(b) 試驗(yàn)段地質(zhì)縱斷面；(c) 現(xiàn)場(chǎng)揭露硅藻土照片

試驗(yàn)段隧道結(jié)構(gòu)采用雙車道帶仰拱型式，開挖斷面如圖2所示，開挖跨度和高度分別約為9.0 m和8.0 m。支護(hù)方式采用復(fù)合式襯砌，具體支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)洞支護(hù)參數(shù)

單位：cm

2 數(shù)值模擬研究

2.1 計(jì)算模型

基于依托工程斷面尺寸，確定整體計(jì)算域?yàn)?0 m×68.2 m×40 m，即隧道開挖輪廓距離計(jì)算模型左、右邊界分別約為隧道跨度的4倍，共計(jì)80 m；拱頂以上取至地表，仰拱以下取40 m，計(jì)算模型高度共計(jì)68.2 m；計(jì)算模型縱向取40 m。在模型的前、后、左、右、下邊界分別施加相應(yīng)的法向約束，上邊界為自由面。僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，重力加速度取10 m/s2。整體模型和網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2.2 計(jì)算工況與計(jì)算過程實(shí)現(xiàn)

隧道掌子面支護(hù)(超前加固)方式主要包括超前注漿、超前錨桿、超前水平旋噴等工程措施；初期支護(hù)則由噴混凝土、鋼筋網(wǎng)、剛架、錨桿等組成。超前加固和初期支護(hù)均對(duì)地表沉降產(chǎn)生影響，但兩者的影響占比尚不明晰。為探究淺埋硅藻土隧道超前加固和初期支護(hù)對(duì)地表沉降控制的貢獻(xiàn)率，擬定了如圖4的若干計(jì)算工況并開展數(shù)值模擬對(duì)比分析。

為統(tǒng)一對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，本文對(duì)支護(hù)的數(shù)值模擬主要通過控制應(yīng)力釋放率實(shí)現(xiàn)，由于工況1在無支護(hù)(100%釋放)條件下計(jì)算不收斂，因而人為減小應(yīng)力釋放率，直至計(jì)算收斂，并以此作為基準(zhǔn)應(yīng)力釋放率，試算該值為70%；工況2-僅初期支護(hù)只是將徑向釋放率調(diào)整為30%；工況3-僅超前加固只是將掌子面釋放率調(diào)整為30%；工況4-初期支護(hù)+超前加固是將徑向釋放率和掌子面釋放率分別調(diào)整為30%和30%。

單位：m

2.3 計(jì)算參數(shù)

圍巖參數(shù)按加權(quán)平均取綜合值，相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)取值如表2所示。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

分別提取4種工況的整體變形云圖(為突出變形特征，進(jìn)行了放大處理)，如圖5所示。

匯總4種工況的隧道中線對(duì)應(yīng)的地表沉降在掌子面前后的變化規(guī)律，如圖6所示。

(a) 工況1-無支護(hù)；(b) 工況2-僅初期支護(hù)；(c) 工況3-僅超前加固；(d) 工況4-初期支護(hù)+超前加固

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

單位：m

圖6 不同工況的地表沉降曲線

從圖6可以看出：

1) 初期支護(hù)僅對(duì)掌子面后方的地表沉降范圍有影響，同樣超前加固僅對(duì)掌子面前方的地表沉降范圍有影響。未施作初期支護(hù)的工況1和3均在掌子面后方約2(為隧道跨度，下同)之后地表沉降趨于穩(wěn)定，而僅施作初期支護(hù)的工況2和同時(shí)施作初期支護(hù)和超前加固的工況4在掌子面后方的地表沉降影響范圍相近，均為約1.5之后趨于平穩(wěn)。另一方面，未施作超前加固的工況1和2均在掌子面前方約2處地表沉降便開始發(fā)展，而僅施作超前加固的工況3和同時(shí)施作初期支護(hù)和超前加固的工況4在掌子面前方的地表沉降影響范圍相近，均為約1.5之前開始發(fā)展地表沉降。

2) 初期支護(hù)主要對(duì)掌子面后方的地表沉降大小有明顯影響，從無支護(hù)的最大約49 mm到僅初期支護(hù)的11 mm；有無初期支護(hù)對(duì)掌子面前方的地表沉降值影響規(guī)律為從掌子面里程相差約14 mm到掌子面前方10 m處趨于相同。另一方面，超前加固僅對(duì)掌子面前方的地表沉降存在影響；掌子面后方地表沉降（最終地表沉降）在有無超前加固(工況1和3)情況下的表現(xiàn)幾乎相同。

3) 同時(shí)實(shí)施初期支護(hù)和超前加固措施(工況4)的地表沉降可近似認(rèn)為是僅初期支護(hù)(工況2)和僅超前加固(工況3)的疊加結(jié)果，從掌子面前方到后方，兩者相對(duì)誤差越來越小。

4) 盡管在控制地表沉降方面，超前加固的影響相對(duì)不明顯，但從圖5的變形趨勢(shì)來看，在控制掌子面擠出位移方面超前加固措施有明顯優(yōu)勢(shì)。表3為上述4種工況的掌子面最大擠出位移對(duì)比，可以看出：有超前加固的工況掌子面擠出變形相比無超前加固工況明顯減小。

表3 4種工況的最大掌子面擠出位移

由于掌子面前后的地表沉降絕對(duì)量值差異大，為對(duì)比不同工況的地表沉降相對(duì)變化量，按圖7所示的掌子面前方、上方、后方的地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，提取相應(yīng)的地表沉降值如表4所示。

工況2相比工況1的地表沉降變化率在掌子面前方、上方、后方測(cè)點(diǎn)分別為31.7%，71.0%和77.2%，說明初期支護(hù)主要對(duì)掌子面后方的地表沉降起到很好的控制作用，相應(yīng)的受空間效應(yīng)影響也抑制了掌子面前方一定范圍內(nèi)的變形。工況3相比工況1的地表沉降變化率在掌子面前方、上方、后方測(cè)點(diǎn)分別為55.5%，9.8%和0，說明超前加固主要對(duì)掌子面前方的地表沉降起到較好控制作用，但對(duì)掌子面后方的最終地表沉降幾乎沒有影響。工況4相比工況1的地表沉降變化率在掌子面前方、上方、后方測(cè)點(diǎn)分別為68.6%，74.0%和75.6%，與工況2和3相比工況1的變化率之和(分別為87.2%，80.8%和77.2%)接近，從掌子面前方到后方，誤差分別為18.6%，6.8%和1.6%。

圖7 數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

表4 地表沉降計(jì)算值

注：“相比工況1沉降變化率”定義為“(工況1?工況(=2, 3, 4))/工況1×100%”。

另一方面，根據(jù)“相對(duì)地表沉降=工況1沉降絕對(duì)值?工況(=2,3,4)沉降絕對(duì)值”，將圖6換算為圖8所示的相對(duì)地表沉降曲線。相比表4中的散點(diǎn)數(shù)據(jù)，圖8進(jìn)一步驗(yàn)證工況4近似等于工況2和3的疊加，由于掌子面前方沉降量值小，誤差相對(duì)較大，掌子面后方工況4與工況2+3的誤差很小。

圖8 相對(duì)地表沉降曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)效果驗(yàn)證

本工程試驗(yàn)段分別設(shè)置了有、無掌子面加固的對(duì)比段，如圖9所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)按掌子面前方、上方、后方分別記為/，/和/。這里的掌子面加固措施主要是在掌子面前方，從地表打設(shè)高壓旋噴樁直至隧道仰拱以下8 m。如圖10所示，旋噴樁的設(shè)計(jì)樁徑為0.5 m，樁間距為1 m，采用梅花形布置，加固范圍為5.52 m×10 m。試樁的主要材料為P.O42.5水泥，水灰比為1:1；旋噴主要技術(shù)參數(shù)為：氣壓力0.5～0.7 MPa，漿液壓力25～28 MPa；旋轉(zhuǎn)速度15～20 r/min，提升速度15～20 cm/min，流量70～100 L/min，漿液比重為1.4～1.6 kg/cm3?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)如圖11所示。

(a) 有掌子面加固；(b) 無掌子面加固

圖10 高壓旋噴樁加固范圍及布置

圖11 高壓旋噴樁現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地表沉降值如表5所示。從表5可以看出：相比無掌子面加固工況，采用高壓旋噴樁加固工況在掌子面前方、上方、后方的地表沉降分別減少了37.9%，14.0%和8.6%，與前述數(shù)值模擬結(jié)果有較好的一致性，即在本工程條件下，減小最終(掌子面后方)地表沉降的主要手段是初期支護(hù)，超前加固并不能顯著減小最終的地表沉降。

表 5 地表沉降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值

4 結(jié)論

1) 隧道初期支護(hù)是減小地表沉降的主要手段，尤其是掌子面通過后的最終地表沉降，可將掌子面到沉降趨于穩(wěn)定的范圍從2減小至1.5。

2) 超前加固對(duì)先期(掌子面前方)地表沉降影響相對(duì)明顯，但對(duì)最終(掌子面后方)地表沉降幾乎沒有影響，可將掌子面到沉降起始發(fā)展的范圍從2減小至1.5。另一方面，超前加固可顯著減小掌子面擠出位移。

3) 同時(shí)實(shí)施初期支護(hù)和超前加固措施的地表沉降可近似認(rèn)為是僅初期支護(hù)和僅超前加固的疊加結(jié)果，從掌子面前方到后方，兩者相對(duì)誤差越來越小，掌子面后方的誤差僅為1.6%。

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Analysis of the contribution of face support and primary support to the surface settlement control of shallow tunnel

GAO Wenshan1, WANG Lichuan1, 2, ZHANG Huijian2, ZHANG Lela2, ZHAO Wei1, HOU Feng1

(1. China Railway 18th Bureau Group Co., Ltd., Tianjin 300222, China;2. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to study the influence of different support patterns on the settlement control of shallow tunnel in soft ground, this paper studied the contribution of face support and primary support to the surface settlement control of the Feifengshan test tunnel in diatomite ground from both numerical analysis and on-site monitoring. The following results are concluded: Compared with the unsupported condition, the condition with only primary support results in the displacement variation, i.e., the front surface monitoring point in front of tunnel face is reduced by 31.7%, and the back surface monitoring point is reduced by 77.2%; thus, the primary support contributes significantly to the control of surface settlement; compared with the unsupported condition, the condition with only face support leads to the displacement variation, i.e., the monitoring point in front of the face is reduced by 55.5%, while the monitoring point behind the face has no change. It can be seen that the face support has a significant influence on the surface settlement in front of the face, but it has a limited influence on the settlement behind the face. In addition, it should be noted that the face support contributes significantly to the control of extrusion displacement of the face with 80.4% reduction achieved; The surface settlements under the case of both primary and face supports can be approximately regarded as the sum of those from individual support (i.e., either primary or face support only). The findings could provide technical references for the project studied and similar shallow tunnel projects.

diatomite; railway tunnel; face support; primary support; surface settlement

U25

A

1672 ? 7029(2021)03 ? 0720 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20210097

2021?01?28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51678494)；中鐵十八局集團(tuán)公司科研資助項(xiàng)目(G19-03)

章慧健(1982?)，男，浙江淳安人，副教授，博士，從事隧道及地下工程支護(hù)力學(xué)機(jī)理研究；E?mail：huijianz@163.com

(編輯 蔣學(xué)東)