哈尔滨地铁工程掌子面及隧道洞身稳定性研究

全强 郭文静 史培贺

摘  要：本文依托哈尔滨地铁粉质黏土隧道工程，基于超前小导管的支护作用，并根据围岩亚级划分的标准，建立了双参数下超前小导管支护的弹性地基梁受力模型，开展了超前小导管支护下的隧道掌子面稳定性评估，并基于收敛约束法进行了隧道开挖过程中不用支护情况的弹塑性二次应力状态分析，开展了隧道洞身稳定性及衬砌结构稳定性评价。

关键词：超前小导管;掌子面稳定性;收敛约束法;隧道洞身稳定性

Research on Excavation Face and Tunnel Stability of Harbin Metro Engineering

QUAN Qiang1  GUO Wenjing2  SHI Peihe2

（1.Harbin Metro Group Co. Ltd.， Harbin， Heilongjiang Province， 150080 China; 2.  Geotechnical and Structural Engineering Research Center， Shandong University， Jinan， Shandong Province， 250061 China）

Abstract： Based on the silty clay tunnel project of Harbin metro， based on the support effect of advance small conduit and the standard of sub grade classification of surrounding rock， the mechanical model of the double-parameter elastic foundation beam supported by the leading ductile was established， and the stability evaluation of the excavation face under the action of the leading ductile was carried out. Based on the convergence constraint method， the elastic-plastic secondary stress state without support during tunnel excavation is analyzed as well， and the stability of tunnel body and lining structure are evaluated.

Key Words： Leading ductile; Stability of the excavation face; Convergence constraint method; Stability of the surrounding rock

隧道掘進过程中，掌子面和围岩的变形是影响隧道开挖过程中围岩稳定性的重要因素，所以保证掌子面及围岩的稳定性对施工安全至关重要。根据工程地质勘察报告，哈尔滨地铁工程主要为粉质黏土地层，且采用台阶法开挖。本文依托该工程，基于超前小导管的支护机理，通过建立掌子面稳定性模型研究其破裂机制，从而进行掌子面稳定性的评估;并通过分析隧道围岩弹塑性分布研究其二次应力状态，从而对隧道的洞身稳定性进行评估。

1开挖掌子面稳定性评价

哈尔滨地铁隧道工程的支护形式为超前注浆小导管支护^[1]、初期支护及二次衬砌相结合。但对于隧道掌子面土质情况较差、超前小导管参数不合理或支护措施不及时等情况，超前小导管对隧道围岩的支护作用将会大大减小，极易导致坍塌事故，所以必须根据具体工程情况进行掌子面稳定性分析。

1.1 超前小导管支护作用机理

1.1.1 自身加固机理

（1）锚杆作用。将超前小导管打入隧道拱顶一定范围内，提高围岩的承载能力。（2）浆液通道作用。小导管管体钻孔后形成通道，有利于浆液扩散，从而提高土体承载力。（3）棚架作用。开挖初期未支护时，超前小导管可以支撑部分土体，有利于保证掌子面的稳定性。

1.1.2 注浆加固机理

浆液对土体的挤密压缩有利于提高围岩稳定性;且注浆后土体的内摩擦角、粘聚力得以增大，抗剪能力提高^[2]。

1.2 超前小导管支护作用理论模型

对超前导管的受力及变形情况进行综合分析，建立如图1所示的双参数下的超前小导管有限长弹性地基梁受力模型。

对小导管进行受力分析，可得导管的弯矩剪力Q（x）、弯矩M（x）、转角θ（x）及导管内壁纵向应变ε（x）：

其中，D为超前小导管的外径，δ为超前小导管的壁厚。

1.3 超前小导管作用下掌子面稳定性定量评价

1.3.1 掌子面稳定性评价模型

基于超前小导管的支护作用，并根据掌子面前方土体的破裂机制，提出一种掌子面稳定性计算模型，该模型适用于粉质黏土隧道台阶法开挖工程，如图2所示。

1.3.2 掌子面稳定性定量评价

基于掌子面稳定性计算模型，对滑移体进行极限平衡分析，可得各级围岩在有无支护情况下的稳定性系数，见表1所示。

参考《建筑边坡工程技术规范》^]并结合表1可知，为保证掌子面稳定性，在粉质黏土地层中：对于V级围岩，无需采用超前导管支护便可保证掌子面稳定;对于Ⅵ₁级围岩，须采用超前导管支护，并依据工程具体情况决定是否需要进行注浆;对于Ⅵ₂级围岩，因其土质较差，超前小导管支护也无法确保掌子面的稳定性，所以须采用深孔注浆加固技术或施加超前管棚支护。

2 隧道洞身稳定性评价

2.1 围岩弹塑性分布二次应力状态

假设围岩为弹塑性模型，支护结构为线弹性模型，计算时忽略围岩、支护结构等的自重。基于平面应变问题分析方法，通过虚拟支撑力逐步释放法^[3]，对支护结构施做时机、围岩应力释放对隧道开挖产生的影响进行模拟，将隧道开挖过程分为初始阶段、开挖阶段、支护阶段，详见图3。

通过土工试验获得粉质黏土的压缩模量，并换算为弹性模量。基于以上计算模型对围岩弹塑性应力状态进行分析，可得：

2.2收敛约束法关键曲线

2.2.1围岩收敛特征曲线

选取支护抗力大于最小支护力、且围岩变形满足规范要求的支护时机，将所选择的不同支护时机施做初衬所得的支护压力P₁代替虚拟支撑力，可得围岩收敛特征曲线，见图4。

对松动区内滑移体进行极限平衡分析，即可得作用在支护结构上的最小支护力和最大安全塑性区范围。

2.2.2洞身纵向变形曲线

在钢格栅拱架与喷射混凝土共同支护下，支护结构的刚度随着时间的增长不断增大，所以围岩的应力释放率^[4]必定将越来越小并趋近于某一值。且围岩通过变形完成应力释放，所以应力释放率与收敛变形必定存在着相应的关系，通过拟合公式可以得到施加支护结构后的洞身纵向变形曲线，见图5。

将现场监测到的拱顶沉降值和理论值进行对比分析：理论值的标准误差相比于实测值均小于1.5，并且相关系数近似为1。以上表明本模型方法得到的支护施做后拱顶沉降的大小及规律较为符合实际，可应用于具体工程。

2.2.3支护特征曲线

基于支护结构参数，对前期格栅单独支护和后期格栅与喷混凝土联合支护^[5]分别进行分析，可得到各亚级围岩的支护特征曲线，如图6至图8。

由图可知：对于V级围岩，最大支护反力大于支护与地层特征曲线的平衡点应力，且围岩变形满足规范要求;对于Ⅵ₁、Ⅵ₂级围岩，施加支护结构前，围岩已经产生较大的变形和位移，因此须提前支护时机，采取超前支护的方法。

2.3 容许位移安全系数

为使得围岩变形在规范允许的合理范围内，通过分析不同亚级粉质黏土的洞身收敛变化，得到洞身收敛容许位移安全系数^[6]，见表2。

由表2可知，在上述开挖支护措施下，V级粉质黏土的容许位移安全系数为2.91，满足施工要求;Ⅵ₁级粉质黏土的容许位移安全系数为1.40，且支护结构刚度也满足要求，因此需要采用超前小导管支护;对于Ⅵ₂级粉质黏土，支护结构的刚度已滿足要求，但是在掌子面进行开挖前，围岩已经产生较为大的变形，所以须在开挖前进行加固，从而保证施工安全。

3 结论与展望

3.1 研究结论

本文根据超前小导管支护作用机理，对哈尔滨地铁粉质黏土隧道开挖工程开展了围岩的稳定性分析，研究结论如下。

（1）建立了双参数下超前小导管的弹性地基梁受力模型，提出了适用于粉质黏土隧道开挖工程的掌子面稳定性分析模型，并对掌子面进行稳定性评估。结果表明：对于V级围岩，无需采用超前导管支护便可保证掌子面稳定;对于Ⅵ₁级围岩，须采用超前导管支护，并依据工程具体情况决定是否需要注浆;对于Ⅵ₂级围岩，因为其土质情况较差，即使采用超前小导管支护也无法满足掌子面的稳定性要求，所以须采用深孔注浆加固技术或施加超前管棚支护。

（2）分析了围岩的弹塑性分布二次应力状态，并根据收敛约束法得到围岩收敛特征曲线、洞身纵向变形曲线和支护特征曲线，并基于容许位移安全系数，对隧道洞身的稳定性进行了评估。结果表明，支护结构的承载力满足施工安全要求，但Ⅵ₁、Ⅵ₂级粉质黏土隧道应当借助超前支护，从而保证围岩稳定性。

3.2展望

本文在以下方向有待进一步开展。

（1）本文通过土压力计算经验公式开展掌子面稳定性分析，下一步应根据试验及计算得到精确土压力值。

（2）本文通过理论模型和数值计算分析了隧道掌子面前方土体的破裂模式，今后应结合模型试验来验证土体的破裂形态。

（3）本文主要考虑超前小导管的纵向“棚架”作用，暂未分析其横向成拱作用，今后应当在该方面展开研究，以完善超前小导管的支护理论。

参考文献

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