不同支护措施对浅埋暗挖隧道安全性的影响

梁 波，蒋博林

(重庆交通大学土木建筑学院，中国 重庆 400074)

随着地面交通运输量越来越大，环保意识越来越强，以及城市轨道交通的大力发展，地下工程暗挖法已广泛应用于城市地下空间的开发利用。地下工程暗挖施工方法主要有盾构法、TBM法和浅埋暗挖法等。

与其他施工方法相比，浅埋暗挖法因地层适应性、断面灵活性和造价相对较低的优点，在我国地铁等市政建设中广泛采用。因为浅埋暗挖的环境特点和受力特点，其施工过程中的安全风险也较大。因此如何建立和完善有效的城市地铁浅埋暗挖隧道施工风险评估与管理体系，通过风险安全评价和预防、控制，将风险危害和影响程度减至最低。其中，地铁浅埋暗挖施工方法和支护措施是安全风险的主要控制因素。

风险管理的研究最早可追溯到公元前916年的共同海损制度。而在隧道工程领域，安全评估和风险分析自20世纪70年代以后才开始研究和应用［1－3］。同济大学的丁士昭教授(1992年)对我国广州地铁首期工程、上海地铁一号线工程等地铁建设中的风险和保险模式进行了研究。黄宏伟，等［4－6］针对隧道及地下工程建设中的特点，分析了影响地铁区间隧道安全体系的各个因素，建立了层次结构模糊综合评判模型，还对风险管理研究的发展等进行了讨论。这些研究方法在隧道工程施工安全评估中具有一定的参考价值，但在定量和具体应用上还需更为深入的分析和研究。

笔者结合浅埋暗挖隧道施工过程，在确定施工方法的前提下，主要对采用的不同支护措施(超前预支护、初期支护与二次衬砌)引发地层的变形特征与运动规律进行了数值模拟分析，通过数值模拟结果研究了不同支护措施对浅埋暗挖隧道安全性的影响。

1 安全风险因素和安全分析数值计算模型

1.1 施工过程安全风险因素

由于城市地铁公共交通的特性，使得地铁线网往往沿城市的繁华街区、各功能区以及居民聚居的生活区规划布置。在这些区域若采用浅埋暗挖法施工，其风险源或风险因素的辨识和安全控制是保证施工安全的关键。

浅埋条件下的主要风险因素为不良水文地质、地下管线、埋深、覆跨比及断面类型，且各种风险因素均会对地铁隧道施工的安全性造成不同程度的影响。

浅埋暗挖隧道最大的特点是埋深浅，施工过程中由于地层损失而引起地面移动明显，对周边环境的影响较大。因此对开挖、支护、衬砌、排水、注浆等方法提出更高要求，施工难度增加。此外由于隧道埋深较浅，上覆土层较薄，而地层加固措施不到位，会容易出现隧道结构坍塌，造成人员伤亡。

另外，覆跨比也是影响隧道围岩稳定性的风险因素。结构拱顶上部覆盖的土层厚度与隧道结构跨度之比，称为覆跨比。GB 50157—2003《地铁设计规范》［7］指出，应根据具体的工程条件，选择较大的覆跨比。而文献［8］研究表明，当覆跨比小于1.0时，隧道开挖对地表沉降有着较大的影响，因此建议地铁隧道覆跨比设计应尽量大于1.0。

此外还存在近接条件下的风险因素和隧道施工安全管理风险因素。近接条件下的施工风险因素一般表现为新建隧道与既有建(构)筑物的相互影响，主要关注地层的沉降变形及隧道结构的稳定性两方面的影响。

笔者在施工方法确定的前提下，主要研究浅埋条件施工过程中，不同支护措施引发的地面移动或地层变形特征造成的结构安全性影响。

1.2 安全分析数值计算模型

应用大型有限元分析软件 ANSYS［9－10］，通过数值模拟研究不同支护措施对浅埋暗挖地铁隧道安全性的影响。文中数值模拟计算模型采用某地铁暗挖区间隧道断面模型，隧道断面尺寸、模型范围及埋深见图1。

图1 计算模型示意图(单位:m)Fig.1 Schematic of calculate model

由于笔者主要研究支护措施对洞室周围土体的变形、塑性区范围及地表沉降的影响，因此隧道周边塑性区范围的大小与地表的沉降值就成为研究影响作用的判别指标。地表的沉降为判断隧道开挖引起围岩变形的重要指标，同时，隧道拱顶、拱底和拱腰的变形对隧道本身的安全与稳定也有重要的影响。为了便于考察以上4个方面的响应程度，在模型中设置了4个沉降控制点:点①位于隧道中轴线上方地表处;点②位于隧道拱顶处;点③位于隧道拱腰处;点④位于隧道拱底处。

数值模型两侧边界施加水平约束，底面边界固定。ANSYS模型中网格的划分见图2。

图2 ANSYS模型中网格的划分Fig.2 Meshing in ANSYS model

2 不同支护措施对隧道施工安全性的影响研究

2.1 数值模拟计算参数

在研究不同支护措施对隧道施工安全性的影响时，围岩级别按V级围岩考虑。隧道结构采用复合式衬砌，初期衬砌采用中空注浆锚管、砂浆锚杆、喷混凝土、钢筋网;二次衬砌为防水钢筋混凝土;开挖前采用超前注浆小导管预加固地层，并作超前管棚预支护辅助施工。围岩及支护措施具体计算参数见表1。隧道埋深15.0m，为浅埋暗挖隧道。

表1 隧道围岩及支护措施计算参数Table 1 Calculate parameters of tunnel surrounding rock and support

2.2 不同支护措施的数值模拟方法

对于保证隧道结构安全稳定的支护措施，笔者主要考虑小导管注浆、管棚超前预支护等两种预加固或预支护措施;衬砌结构采用锚杆、格栅钢架、网喷混凝土、模筑混凝土等4种支护措施。这也是地下工程中常用的支护或加固措施，如何在有限元计算中比较合理地反映这些措施的作用机理或效果，是影响计算结果合理性的关键因素之一。

根据各种支护措施的力学原理和数值模拟特点，各种支护措施数值模拟分述如下:

1)对于大管棚超前支护、超前小导管预注浆支护的加固作用，一般是在数值模拟分析中通过对洞室周围土体的力学参数进行适当的提高来反映;

2)锚杆的作用拟采用提高围岩参数模拟;

3)格栅钢架的作用通过提高初期支护的参数来模拟;

4)喷层常常作为弹性材料采用杆梁单元或板壳单元来进行模拟;

5)喷层中的钢筋网通过提高喷层的参数来近似模拟;

6)模筑混凝土作为弹性材料采用提高衬砌支护参数来进行模拟。

2.3 数值模拟结果分析

文中的数值模拟中，不考虑地下水的影响，施加重力场，使土体在自重作用下固结沉降，达到平衡，而后进行全断面开挖。

2.3.1 超前预支护对隧道性状和地表沉降影响

超前预支护可以改变掌子面前方洞室周围土体的性质，提高掌子面前方洞室周围土体的强度和刚度，降低开挖引起的洞室周围土体松动和坍塌的可能性，可以适当地控制地层的下陷和地表的沉降，并缩小塑性区的范围。

本算例考虑采用热轧无缝钢管大管棚超前支护和超前小导管预注浆支护，支护范围为拱顶2 m范围内，以及边墙采用的中空注浆锚杆超前支护，支护范围为边墙2.5 m范围内。对于大管棚超前支护、超前小导管预注浆支护和中空注浆锚杆超前支护的加固作用，一般是在分析中通过对洞室周围土体的力学参数进行适当的提高来反映。如，文献［11］即按提高围岩力学参数的10%来考虑，笔者根据工程实例提供的参数计算，按洞室周围土体力学参数分别4种工况来考察加固程度的效果和影响:工况1为无支护;工况2为提高10%;工况3为提高15%;工况4为提高20%。这4种加固工况下，控制点①、控制点②、控制点④的竖向位移和控制点③的收敛位移(方向指向隧道中心)如表2。

表2 不同超前支护对隧道性状和地表沉降的影响Table 2 The effects of different pre-reinforcements on the tunnel behavior and the ground surface settlement

通过工况2～工况4之间的对比发现，要想通过大幅度提高超前支护注浆材料的强度来控制和降低地表的沉降和横向影响范围，效果并不明显。因此，预支护主要是为开挖、初期支护及二次衬砌的施作提供安全的作业环境，不必过分强调注浆的强度。变形控制主要依靠开挖后初期混凝土支护来实现。

2.3.2 初期支护对隧道性状和地表沉降的影响

浅埋暗挖地铁隧道，随着开挖，地层应力得到释放，会伴随着地表大范围下沉，沉降槽宽度及下沉量都会较大。为保证地表的变形得到控制，地层预加固与及时支护且封闭成环是浅埋暗挖隧道施工的关键。可见，控制地层应力释放程度是解决地表沉降及影响范围的关键。

数值模拟中，混凝土初期支护厚200 mm，采用C25喷射混凝土，全断面支护。按照ANSYS程序中利用荷载步实现应力逐步释放的方法，对隧道开挖后初期支护发挥承载作用的11种不同应力释放状态组合进行模拟分析，比较开挖后支护跟进的不同时间对隧道性状和地表沉降的影响(表3)。

表3 围岩应力释放程度对隧道性状和地表沉降的影响Table 3 The effect of stress release level on the tunnel behavior and the ground surface settlement

由表3可以看出，随着洞室周围土体应力释放程度的提高，也就是模拟隧道开挖后隔一段时间再进行支护，隧道开挖面上方地表沉降和隧道拱顶处的位移有明显的增大趋势，洞室周围土体塑性区明显扩大，由稳定状态向不稳定状态转化。这也证明了在隧道开挖后越是较早的进行初期混凝土支护，支护的效果越明显，隧道开挖面上方地表和隧道拱顶的竖向沉降明显降低。

但是从另一方面看，支护得越早，初期衬砌越要承受较大的土体压力，可能使衬砌产生裂缝，严重者还可能造成坍塌。因此，在地铁隧道施工中，结合数值模拟和新奥法隧道施工的精髓“勤测量”，可以通过监控隧道上方地表和隧道拱顶的竖向沉降，选择合适的支护时机，在适当的应力释放条件下进行初期支护，这样既能充分发挥土体的自承能力，又能在支护后很好的控制地层沉降，保证隧道和上部结构的安全。

结合表3的计算数据，当围岩应力释放30%后(工况4)，控制点①的竖向位移即地表上方沉降值有少许回落，没有继续向下沉降，说明此时围岩应力释放达到一定稳定状态，应在此时及时施作初期支护，控制围岩变形。

2.4 不同支护措施对隧道性状和地表沉降的影响

前面对隧道开挖超前预支护、初期混凝土支护和二次防水混凝土支护(限于篇幅，未详述)进行了分析，以下分析5种不同支护工况对隧道性状和隧道上方地表沉降的影响:

工况1，不采取任何围岩加固措施;

工况2，采用大管棚超前支护和超前小导管预注浆支护，按提高洞室周围土体力学参数10%考虑;

工况3，不施加预支护，只施加混凝土初期支护，按围岩应力释放30%考虑;

工况4，不施加预支护，只施加混凝土初期支护和防水混凝土二次衬砌，围岩应力释放30%，二衬厚度取250 mm;

工况5，为工况2、工况3和工况4的综合支护。

图3为5种支护工况下隧道开挖后的位移等值线图。由图中可以看出，支护措施明显降低了隧道结构的变形和地表的沉降，而且地表沉降的横向影响范围也大大的减小，但是不同的支护措施，支护效果也不同。

图3 5种支护工况下隧道开挖后的位移等值线图Fig.3 The contour line diagrams of the displacement field after the construction of tunnel in the five reinforcement cases

图3中工况3反映的是隧道初期支护对隧道开挖性状和地表沉降的影响。由表4可以看出，混凝土初期支护有效地降低了隧道开挖面中轴线上方地表和隧道结构各个控制点的变形，与工况1相比，隧道开挖面中轴线上方地表竖向沉降降低到了2.48 mm，降低了61.37%;隧道拱顶竖向沉降降低到了7.05 mm，降低了51.68%;拱顶向上鼓起降低到了6.48 mm，降低了40.11%;隧道拱腰横向位移降低到1.98 mm，降低了35.71%。

工况4反映的是复合式衬砌支护措施(初期支护加二次衬砌)的效果。通过和工况1比较，隧道开挖面中轴线上方地表竖向沉降降低到了2.26mm，降低了64.80%;隧道拱顶竖向沉降降低到了6.89 mm，降低了52.78%;拱顶向上鼓起降低到了6.22 mm，降低了42.51%;隧道拱腰横向位移降低到1.52 mm，降低了 50.65%。

表4 不同支护措施对隧道性状和地表沉降的影响Table 4 The effects of different reinforcements on the tunnel behaviour and the ground surface settlement

工况5反映的是综合支护措施(预支护加初期支护再加二次衬砌)的效果。通过和工况1比较可以看出，预支护与复合式衬砌支护综合发挥作用，支护效果是很明显的。隧道开挖面中轴线上方地表竖向沉降降低到了1.97mm，降低了69.31%;隧道拱顶竖向沉降降低到了6.48mm，降低了55.59%;拱顶向上鼓起降低到了5.98mm，降低了44.73%;隧道拱腰横向位移降低到1.23mm，降低了60.06%，有效地控制了隧道内部结构和地表的变形，支护效果非常明显。

3 结语

通过对不同支护措施对浅埋暗挖地铁隧道施工安全性影响的研究，得到以下结论:

1)超前预支护提高掌子面前方洞室周围土体的强度和刚度，降低开挖引起的洞室周围土体松动和坍塌的可能性，可以适当地控制地层的下陷和地表的沉降。但是如果单纯依靠预支护或者依靠大幅度提高超前支护注浆材料强度来控制和降低洞室周围土体的地表沉降和横向影响范围，效果并不明显，而且加固的成本会提高。

2)初期混凝土支护可以明显降低洞室周围土体的位移变形。采用超前预支护后，可以按照新奥法的理念，选择适当的时机，在一定的围岩应力释放条件下施作初期支护，这样既能充分发挥土体的自承能力，又能在支护后很好的控制地层沉降，保证隧道和上部结构的安全。

3)二次衬砌防水混凝土支护对地表沉降和横向影响范围的作用很小。在施作了超前预支护和初期支护后，待初期支护与围岩的变形达到稳定后，即可施作二次衬砌。二次衬砌施作后，施工阶段的地层沉降就形成最终的稳定状态。

4)综合支护措施(预支护加初期支护再加二次衬砌)能有效地控制隧道内部结构和地表的变形，支护效果非常明显。

［1］Einstein H H.Risk and risk analysis in rock engineering［J］.Tunneling and Undegrorund Space Technology，1996，11(5):141－155.

［2］Burland J.On the Generalized Stress-Strain Behavior of West City［M］//William Johnson，Peter Bassindale Mellor.Engineering Plasticity.Cambridge:Cambridge University Press，1998:535 －609.

［3］ITA Working Group No.2.Guidelines for tunneling risk management［J］.Tunneling and Underground Space Technology，2004，19(9):217－237.

［4］王岩，黄宏伟.地铁区间隧道安全评估的层次——模糊综合评判法［J］.地下空间，2004，24(3):301 －305.WANGYan，HUANG Hong-wei.Hierarchy-fuzzy comprehensive judgment for safety evaluation of metro running tunnel［J］.Underground Space，2004，24(3):301 －305.

［5］黄宏伟.隧道及地下工程建设中的风险管理研究进展［J］.地下空间与工程学报，2006(2):13－20.HUANG Hong-wei.State-of-the-art of the research on risk management in construction of tunnel and underground works［J］.Jounal of Underground Space and Engineering，2006(2):13 －20.

［6］范玉祥，何亚伯，汪琴，等.隧道施工安全风险的模糊综合评判［J］.华中科技大学学报:城市科学版，2010(3):46－50.FAN Yu-xiang，HE Ya-bo，WANG Qin，et al.Fuzzy synthetic evaluation on safety risk of tunnel construction［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology:Urban Science，2010(3):46－50.

［7］GB 50157—2003地铁设计规范［S］.北京:中国人民共和国建设部，2003.

［8］茅为中，王云龙，张念.地铁隧道覆跨比和高跨比对地面沉降的影响［J］.隧道建设，2010，6(3):242 －245.MAO Wei-zhong，WANG Yun-long，ZHANG Nian.Influence of cover-span ratios and height-span ratios of metro tunnels on ground surface settlement［J］.Tunnel Construction，2010，6(3):242 －245.

［9］博嘉科技.有限元分析软件—ANSYS融会与贯通［M］.北京:中国水利水电出版社，2002.

［10］谭建国.使用ANSYS进行有限元分析［M］.北京:北京大学出版社，2002.

［11］胡文清，郑颖人.木寨岭隧道软弱围岩段施工方法及数值分析［J］.地下空间，2004，24(2):194 －197.HU Wen-qing，ZHENG Yin-ren.Construction technique and numerical simulation analysis for the Muzhailing Tunnel with weak surrounding［J］.Underground Space，2004，24(2):194 － 197.