浅埋暗挖黄土隧道地层及围岩力学特性变化规律

井洪涛

(陕西省铁路集团有限公司， 西安 710199)

随着“西部大开发”战略和“一带一路”倡议的不断向前推进，西北地区一大批基础设施建设极大地推动了以黄土深埋高地应力岩体为主的岩土理论和施工技术的快速发展。西北黄土高原地层土质疏松、垂直节理发育、强度低、变形大[1]。在黄土地区开挖浅埋隧道时，由于地质软弱、结构埋深浅、围岩自稳性差、承载力小和变形大等问题，导致施工难度大、风险高、工程处理措施费用高[2]。如果选用的施工方法或后期支护方式不当，都极有可能引发隧道坍塌或出现地表过大沉降，对周边建(构)筑物造成影响。针对这些问题，专家学者进行了大量研究，也取得了丰富的研究成果。

何历超等[3]研究了黄土隧道开挖过程中土体和支护结构之间的压力关系。刘志强等[4]结合宝兰铁路大断面高含水率隧道施工，对不同埋深及不同含水率下的开挖进尺、步序、核心土长度等工况进行了研究。严松宏等[5]在考虑应力和渗流场的基础上，对浅埋大断面区间隧道进行研究，获得了孔隙水压力、围岩及支护应力、地表及洞壁位移的分布特征。李健等[6]以郑西专线阌乡隧道为依托，对浅埋大跨黄土隧道长大管棚的受力机制进行了研究。樊纯坛等[7]通过现场实测与室内模型试验，对黄土隧道仰拱的力学特性进行研究，发现仰拱部分围岩压力呈两头大、中间小的分布规律。魏纲等[8]根据弹性地基梁原理，在考虑建筑物刚度的基础上，计算了浅埋暗挖隧道施工中沉降反力引起的变形。金星亮等[9]结合现场监测结果，对浅埋扁平超大断面隧道各施工阶段围岩的稳定性进行了研究，发现扁平超大断面隧道拱顶受力面积大,受力部位下移,拱脚处应力集中。康佐等[10]结合西安地铁二号线，对黄土浅埋暗挖地铁隧道的地表、地层纵横向变形进行了系统研究。

近些年来，西部山区发展基础设施时，受到地形地貌和施工条件限制，经常在依山傍水段布设线路，不可避免地遇到黄土地层浅埋隧道施工等技术难题，此外城市地铁隧道大多也为浅埋隧道[11]。因此，对动态施工时浅埋黄土隧道支护结构应力变化和围岩变形问题进行深入研究有很重要的科研价值和实践意义。现以新建蒙华铁路运煤通道青化砭隧道为依托，分析黄土地区浅埋大跨度隧道开挖时，支护结构变形、地表沉降及围岩应力的变化规律，为今后黄土地区浅埋暗挖大跨度隧道的设计和施工积累经验。

1 工程概况

青化砭隧道位于陕西省延安市,是新建蒙西至华中地区铁路煤运通道的重要组成部分，地处陕北黄土高原梁峁区，冲沟发育，地质复杂，黄土、软岩并存，主要岩性为砂黏质新老黄土、粉质黏土。研究的青化砭2#隧道为单洞双线隧道，全长4 396.72 m，洞径12.88 m，以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，且包含多处浅埋地段，埋深0～48.2 m，采用交叉中隔壁法施工，将选取3个典型断面进行围岩受力和地层变形分析。

根据研究需求，在施工区段内设置3个综合监测断面，分析施工扰动下，隧道的地层响应和围岩变形规律。地层变位现场测试内容如下。

(1)地表和地中下沉。每个断面布置13个地表测点，间距2～5 m。采用3个分层沉降孔观测地中下沉，磁环间距0.5 m。在隧道中轴线左右两侧7 m处，以间距0.5 m布置隧道横断面方向水平位移测斜孔，具体布置位置如图1所示。

图1 地表沉降横向测点布置示意图Fig.1 Schematic diagram of transverse survey point arrangement of surface subsidence

(2)紧跟工作面推进，实时监测隧道拱顶沉降和水平收敛变形,测点布置位置如图2所示。

图2 位移测点布置Fig.2 Layout of displacement measurement points

(3)围岩和初支接触应力测试，测点布置情况如图3所示。

图3 围岩应力测点布置Fig.3 Layout of stress measuring point of surrounding rock

2 现场监测数据分析

2.1 地层变位规律分析

为了研究浅埋暗挖黄土隧道施工诱发的地表和地中沉降，在3个综合监测断面内布置深度方向沉降孔和水平方向测斜孔，分析隧道开挖引起的地表、地中和拱顶下沉规律。

2.1.1 隧道纵轴方向地表下沉特征

从图4可以看出，1#～3#监测断面中测点沉降与工作面推进距离之间的关系曲线基本一致。当测点滞后工作面-9～0 m时，由于隧道初期支护结构施作完成，工作面开挖对其轴向地表沉降影响较小，沉降均小于10 mm。此外按照测点沉降与工作面距离间的关系，其可分为两段。在0～9 m范围内，轴向测点沉降随距工作面距离的增大几乎成线性增加，沉降接近允许值30 mm。在12～17 m范围内，测点沉降增大趋势减缓，在17 m处沉降值最大约为35 mm。因此在实际开挖过程中，采用超前小导管和管棚支护技术对隧道周围地层进行加固，控制轴向地表沉降在允许范围之内。

图4 测点沉降随工作面推进距离变化曲线Fig.4 Variation curve of settlement of measuring point with advancing distance of working face

2.1.2 隧道横断面方向地表沉降

分析实测数据可知，3个监测断面中横向地表沉降规律基本一致。现以2#监测断面为例，如图5所示绘制横断面方向不同测点的地表沉降曲线，研究隧道开挖各工序对其的影响。

图5 隧道开挖各阶段横向地表沉降曲线Fig.5 Transverse surface subsidence curve at each stage of tunnel excavation

从图5可知，随着施工工序进行和开挖面增大，隧道横断面方向地表沉降量和沉降范围逐渐增大，台阶法施工时各工序中地表沉降曲线均呈“单峰”状态，在中轴线处地表沉降最大，两侧随距增大沉降快速减小。

当左上导洞完成时，横断面内仅中轴线处地表沉降最大。当左下导洞完成时，整个横断面内地表沉降量进一步增大，且由于左侧导洞率先开挖，中轴线左侧地表沉降大于右侧同距离处测点沉降。 当右上导洞完成时，各测点沉降再次增大，中轴线处地表沉降最大为24.88 mm，且其增幅大于前两道工序。当右下导洞完成时，拱顶两侧-6～6 m范围内沉降增大至25.5～31.83 mm，接近或大于地表沉降允许值30 mm，需采取钢桁架支护，尽快施做初期支护，阻止地表产生过大变形。

2.1.3 隧道拱顶下沉

在2#监测断面隧道拱顶和中轴线地表处设置竖向沉降观测点，在开挖过程中实时监测隧道拱顶和地表沉降变形，如图6所示绘制拱顶和地表沉降曲线。可以看出，随着工作面推进，拱顶和地表下沉逐渐增大，当测点超前工作面13 m时，拱顶和地表沉降逐渐趋于稳定，地表和拱顶最大沉降分别为29.6、28.8 mm，接近沉降允许值，其原因是掌子面开挖，扰动周围地层，使得超前工作面0～15 m范围内的地层下沉。当测点滞后工作面时，拱顶和地表沉降随滞后距离的增大而缓慢减小，其原因是初期支护施做后围岩稳定性提高，变形大幅减小。当测点距工作面-3～5 m时，由于掌子面开挖后的短时间内地层侧压力和水土压力的减小，使得拱顶位移快速增大，拱顶正上方的地表沉降也同步增大。此外，拱顶沉降始终大于地表沉降，其主要是隧道施工形成沉降槽的过程中，扰动上覆土体，导致某些土层发生膨胀、压缩，甚至离层等原因引起的。

图6 地表和拱顶下沉曲线Fig.6 Subsidence curve of surface and arch roof

2.1.4 水平位移变化

2.1.4.1 纵轴线方向水平位移

在2#断面两侧设置两个垂直沉降孔，如图7所示，提取数据绘制开挖过程中不同埋深处纵轴线方向水平位移变化曲线，其正负值分别代表位移向隧道内侧和背离隧道方向。

图7 纵向水平位移曲线Fig.7 Longitudinal horizontal displacement curve

从图7可以看出，各工况下距离地表-2 m处的土体水平位移最大，地层埋深越大，水平位移越小。在开挖影响范围内，地层受到挤压，应力释放，0～8 m深度内水平位移较大，8～12 m深度内随测点与开挖面水平距离增大，工作面开挖的扰动减小，纵向水平位移减小。与超前8 m相比，当超前15 m时，隧道纵向水平位移迅速减小，因此轴线方向水平位移的超前影响距离为0～15 m。此外还可看出，当测点滞后开挖面0.5 m时，在开挖卸压作用下地层呈挤压趋势，土体向隧道内侧移动，纵向水平位移改变方向，向隧道已开挖方向移动，但在初期支护作用下，滞后区水平位移小于超前区。当测斜管滞后4 m时，地层水平位移略有增大，在地表处水平位移最大为20.1 mm，其均小于允许值。

2.1.4.2 横截面方向水平位移

同样在2#断面内，提取超前工作面8、15 m和滞后工作面4、11.5 m 4种工况下水平测斜孔数据，如图8所示，绘制深度范围内各工况横向水平位移变化曲线，同样正负值分别代表位移向隧道内侧和背离隧道方向。

从图8可以看出，在开挖面扰动下，当超前距离为8 m时，隧道两侧横向水平位移较大，距地表-2 m处的横向水平位移最大，约为30 mm。当超前距离从8 m增大到10 m时，横向水平位移变化大幅减小，因此可判定隧道横向水平位移的超前影响距离为8 m，在该区域内，地层向背离隧道的方向移动。其原因是掌子面施工导致周围地层应力释放，当观测断面接近或滞后工作面时，在开挖卸压的影响下，横向水平位移逐渐转向隧道内测。随着滞后距离逐渐增大，水平位移先快速增加，后逐渐稳定并达到最大，与地表和拱顶变形规律一致。

图8 横向水平位移曲线Fig.8 Lateral horizontal displacement curve

2.2 围岩力学特性分析

2.2.1 围岩径向接触应力

在2#监测断面的拱顶、左右拱腰、左右仰拱和仰拱底等位置埋设土压力盒，研究开挖过程中隧道围岩压力的变化规律，进而评价所采用支护结构的可靠性，图9所示为各测点围岩与初期支护接触压力时程曲线。

由图9可知，各工序中，隧道初期支护结构的接触压力均存在先快速增大、再缓慢增大、最后趋于稳定的变化过程。在拱顶处围岩与初期支护的接触压力最大，为0.39 MPa。开挖边墙时，拱顶压力增大，两拱肩压力略有减小。初支完成后整个断面支护刚度增大，27 d后围岩变形和拱部压力趋于稳定。此外，除了拱顶外，采用交叉中隔墙法施工时，由于隧道围岩应力释放，左侧导洞完成后左拱肩、左拱脚作用在初期支护结构的围岩接触压力基本形成，而在右侧导洞施工时其压力增长较小，总体小于20%。24 d初支完成后，各测点处接触压力重新调整，左右拱肩和拱腰处压力趋于稳定，而仰拱处压力缓慢增大，最后趋于稳定。

图9 围岩与支护接触压力时程曲线Fig.9 Contact pressure time curve between surrounding rock and support

2.2.2 围岩变形

在隧道开挖过程中，变形监测实时跟进，对3#断面持续监测一个月，得到隧道拱顶沉降变形和水平收敛变形随时间的变化曲线如图10所示。

由图10可知: 隧道拱顶沉降变形和水平收敛变形曲线可分为均匀变形阶段和稳定阶段。在隧道开挖初期，由于地层受到较大扰动，围岩变形线性增大，均匀变形阶段拱顶下沉速率和水平收敛变形速率分别为0.82、0.42 mm/d。18 d后，隧道拱顶沉降变形和水平收敛变形进入稳定阶段。采用喷射混凝土、钢拱架和格栅钢架支护结构后，拱顶沉降和水平收敛变形终值分别为11.93、5.98 mm，围岩变形较小，均在允许变形范围之内。在浅埋黄土隧道施工中。

图10 拱顶沉降和围岩收敛变形曲线Fig.10 Settlement of arch roof and convergence deformation curve of surrounding rock

隧道拱顶沉降变形速率和水平收敛变形速率随时间的变化曲线如图11所示。可以发现，开挖初期隧道拱顶沉降变形速率和水平收敛速率较大，随开挖工序和初期支护交替施工，变形速率的大小发生波动，围岩变形量随时间的增长累计增大，15 d后变形速率大幅减小，围岩变形增长曲线逐渐平缓，并趋于定值不再变化，表明该种组合支护结构的支护效果较好，在相似工程的设计和施工中可以借鉴。

图11 拱顶下沉速率和围岩收敛速率变化曲线Fig.11 Variation curve of subsidence rate of arch roof and convergence rate of surrounding rock

3 结论

(1)隧道工作面开挖引起的拱顶沉降变形和水平收敛变形可分为均匀变形阶段和稳定阶段。均匀变形阶段拱顶下沉速率和水平收敛变形速率分别为0.82、0.42 mm/d，15 d后变形速率大幅减小，18 d后隧道拱顶沉降变形和水平收敛变形进入稳定阶段。

(2)开挖时由于部分地层出现松弛区，在0～6 m深度范围内，竖向沉降随埋深的增大而增大，当埋深大于10 m时，地层沉降随深度增大迅速减小。

(3)地表处隧道轴向水平位移最大，且随埋深的增大而减小，轴线方向水平位移的超前影响距离约为15 m，横截面方向水平位移的超前影响距离约为8 m。当观测断面滞后和超前开挖面时，由于土体开挖卸压，地层受到挤压，隧道周围土体的纵向和横向水平位移分别向隧道内侧和背离隧道方向发展。

(4)喷射混凝土、钢拱架和格栅钢架形成的组合支护结构，支护效果较好，可大幅减小拱顶沉降和水平收敛变形,在相似工程的设计和施工中可以借鉴。