超前加固和初期支护对浅埋隧道地表沉降控制的贡献率分析

2021-04-15高文山王立川章慧健张乐拉赵伟侯峰

铁道科学与工程学报 2021年3期

高文山，王立川, ，章慧健，张乐拉，赵伟，侯峰

高文山1，王立川1, 2，章慧健2，张乐拉2，赵伟1，侯峰1

(1. 中铁十八局集团有限公司，天津 300222；2. 西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

为研究浅埋软岩隧道不同支护方式对地表沉降的影响，以硅藻土地层飞凤山隧道斜井试验段为依托，采用数值模拟和现场监测手段，研究超前加固和初期支护对浅埋硅藻土隧道地表沉降控制的贡献率差异。研究结果表明：初期支护与无支护工况相比，地表测点位移变化为：掌子面前方测点减少31.7%，后方测点减少77.2%，可见初期支护对地表沉降控制贡献显著；超前加固与无支护工况相比，地表测点位移变化为：掌子面前方测点减少55.5%，后方测点几乎无变化，可见超前加固(掌子面约束)对其前方地表沉降控制贡献相对显著，但对其后方沉降控制贡献低；此外值得注意的是掌子面挤出位移减少了80.4%，改善作用明显；同时实施初期支护和超前加固可近似认为是仅初期支护和仅超前加固的叠加结果。研究成果可为依托工程及今后类似浅埋隧道提供参考。

硅藻土；铁路隧道；超前加固；初期支护；地表沉降

硅藻土(岩)作为一种软土(岩)地层，具有孔隙比大、密度小、结构松散、节理发育、压缩性大、遇水易软化等工程特性[1−3]。目前隧道穿越硅藻土地层的施工经验较少，且相应的地表沉降规律研究也不足，尤其对于采用无砟轨道的高铁隧道而言，几无可借鉴的经验。另一方面，对于其他类似软弱围岩中浅埋隧道开挖引起的地表沉降规律已有较多的研究成果[4−8]。国内外学者从理论分析、数值模拟、模型试验等方面，对超前加固和初期支护等手段控制地表沉降的效果进行了相关研究。谌军[9]通过有限元数值模型分析了浅埋隧道开挖对围岩变形以及地表沉降的影响作用及不同的支护时机和初期支护强度对围岩的沉降变形的影响作用。戴亚军等[10]通过数值模拟方法结合现场监测对原支护方案“单层钢拱架初期支护＋双层二次衬砌”进行优化，优化后的支护方案更好地控制了地层变形，减小了二次衬砌的受力；金大龙等[11]通过自制模型试验系统，测量了砂土土样地表变形和开挖面支护压力，分析研究了地表沉降、隆起与开挖面支护压力之间的关系，通过测量不同覆土厚度情况下的扰动区域范围，建立了开挖面前方土体沉降和隆起破坏模型；张艺腾等[12]以郑万高铁湖北段软弱围岩隧道全断面施工为工程背景，采用数值模拟软件从围岩位移、塑性区方面研究了掌子面锚杆对掌子面的加固效果，发现掌子面锚杆对掌子面挤出变形及掌子面前方围岩塑性区控制效果显著，得到掌子面锚杆的合理长度范围。对于初期支护和掌子面支护的控制变形方面已有不少的研究，但针对硅藻土隧道超前加固和初期支护措施分别对地表沉降的影响占比研究较少。本文以硅藻土地层飞凤山隧道斜井试验段为依托，采用数值模拟和现场监测等手段，研究超前加固和初期支护对浅埋软岩隧道地表沉降的影响差异。

1 工程概况

飞凤山隧道全长1 331 m，位处杭绍台高铁里程DK84+449～DK85+780区间，该隧道进口段和出口段均穿越硅藻土地层。为研究硅藻土隧道力学特性与施工控制技术，在出口端斜井设置了试验段，如图1所示。该试验段长度为=115 m，最大埋深23 m，主要穿越硬土状白色、兰色硅藻土地层，地层节理发育、节理面微弱渗水并伴有微弱裂隙水。

(a) 斜井平面图；(b) 试验段地质纵断面；(c) 现场揭露硅藻土照片

试验段隧道结构采用双车道带仰拱型式，开挖断面如图2所示，开挖跨度和高度分别约为9.0 m和8.0 m。支护方式采用复合式衬砌，具体支护参数如表1所示。

表1 试验洞支护参数

单位：cm

2 数值模拟研究

2.1 计算模型

基于依托工程断面尺寸，确定整体计算域为80 m×68.2 m×40 m，即隧道开挖轮廓距离计算模型左、右边界分别约为隧道跨度的4倍，共计80 m；拱顶以上取至地表，仰拱以下取40 m，计算模型高度共计68.2 m；计算模型纵向取40 m。在模型的前、后、左、右、下边界分别施加相应的法向约束，上边界为自由面。仅考虑自重应力场，重力加速度取10 m/s2。整体模型和网格划分如图3所示。

2.2 计算工况与计算过程实现

隧道掌子面支护(超前加固)方式主要包括超前注浆、超前锚杆、超前水平旋喷等工程措施；初期支护则由喷混凝土、钢筋网、刚架、锚杆等组成。超前加固和初期支护均对地表沉降产生影响，但两者的影响占比尚不明晰。为探究浅埋硅藻土隧道超前加固和初期支护对地表沉降控制的贡献率，拟定了如图4的若干计算工况并开展数值模拟对比分析。

为统一对比标准，本文对支护的数值模拟主要通过控制应力释放率实现，由于工况1在无支护(100%释放)条件下计算不收敛，因而人为减小应力释放率，直至计算收敛，并以此作为基准应力释放率，试算该值为70%；工况2-仅初期支护只是将径向释放率调整为30%；工况3-仅超前加固只是将掌子面释放率调整为30%；工况4-初期支护+超前加固是将径向释放率和掌子面释放率分别调整为30%和30%。

单位：m

2.3 计算参数

围岩参数按加权平均取综合值，相应的物理力学参数取值如表2所示。

2.4 计算结果分析

分别提取4种工况的整体变形云图(为突出变形特征，进行了放大处理)，如图5所示。

汇总4种工况的隧道中线对应的地表沉降在掌子面前后的变化规律，如图6所示。

(a) 工况1-无支护；(b) 工况2-仅初期支护；(c) 工况3-仅超前加固；(d) 工况4-初期支护+超前加固

表2 围岩物理力学参数

单位：m

图6 不同工况的地表沉降曲线

从图6可以看出：

1) 初期支护仅对掌子面后方的地表沉降范围有影响，同样超前加固仅对掌子面前方的地表沉降范围有影响。未施作初期支护的工况1和3均在掌子面后方约2(为隧道跨度，下同)之后地表沉降趋于稳定，而仅施作初期支护的工况2和同时施作初期支护和超前加固的工况4在掌子面后方的地表沉降影响范围相近，均为约1.5之后趋于平稳。另一方面，未施作超前加固的工况1和2均在掌子面前方约2处地表沉降便开始发展，而仅施作超前加固的工况3和同时施作初期支护和超前加固的工况4在掌子面前方的地表沉降影响范围相近，均为约1.5之前开始发展地表沉降。

2) 初期支护主要对掌子面后方的地表沉降大小有明显影响，从无支护的最大约49 mm到仅初期支护的11 mm；有无初期支护对掌子面前方的地表沉降值影响规律为从掌子面里程相差约14 mm到掌子面前方10 m处趋于相同。另一方面，超前加固仅对掌子面前方的地表沉降存在影响；掌子面后方地表沉降（最终地表沉降）在有无超前加固(工况1和3)情况下的表现几乎相同。

3) 同时实施初期支护和超前加固措施(工况4)的地表沉降可近似认为是仅初期支护(工况2)和仅超前加固(工况3)的叠加结果，从掌子面前方到后方，两者相对误差越来越小。

4) 尽管在控制地表沉降方面，超前加固的影响相对不明显，但从图5的变形趋势来看，在控制掌子面挤出位移方面超前加固措施有明显优势。表3为上述4种工况的掌子面最大挤出位移对比，可以看出：有超前加固的工况掌子面挤出变形相比无超前加固工况明显减小。

表3 4种工况的最大掌子面挤出位移

由于掌子面前后的地表沉降绝对量值差异大，为对比不同工况的地表沉降相对变化量，按图7所示的掌子面前方、上方、后方的地表沉降监测点位，提取相应的地表沉降值如表4所示。

工况2相比工况1的地表沉降变化率在掌子面前方、上方、后方测点分别为31.7%，71.0%和77.2%，说明初期支护主要对掌子面后方的地表沉降起到很好的控制作用，相应的受空间效应影响也抑制了掌子面前方一定范围内的变形。工况3相比工况1的地表沉降变化率在掌子面前方、上方、后方测点分别为55.5%，9.8%和0，说明超前加固主要对掌子面前方的地表沉降起到较好控制作用，但对掌子面后方的最终地表沉降几乎没有影响。工况4相比工况1的地表沉降变化率在掌子面前方、上方、后方测点分别为68.6%，74.0%和75.6%，与工况2和3相比工况1的变化率之和(分别为87.2%，80.8%和77.2%)接近，从掌子面前方到后方，误差分别为18.6%，6.8%和1.6%。

图7 数值模拟监测点示意图

表4 地表沉降计算值

注：“相比工况1沉降变化率”定义为“(工况1−工况(=2, 3, 4))/工况1×100%”。

另一方面，根据“相对地表沉降=工况1沉降绝对值−工况(=2,3,4)沉降绝对值”，将图6换算为图8所示的相对地表沉降曲线。相比表4中的散点数据，图8进一步验证工况4近似等于工况2和3的叠加，由于掌子面前方沉降量值小，误差相对较大，掌子面后方工况4与工况2+3的误差很小。

图8 相对地表沉降曲线

3 现场效果验证

本工程试验段分别设置了有、无掌子面加固的对比段，如图9所示，监测点按掌子面前方、上方、后方分别记为/，/和/。这里的掌子面加固措施主要是在掌子面前方，从地表打设高压旋喷桩直至隧道仰拱以下8 m。如图10所示，旋喷桩的设计桩径为0.5 m，桩间距为1 m，采用梅花形布置，加固范围为5.52 m×10 m。试桩的主要材料为P.O42.5水泥，水灰比为1:1；旋喷主要技术参数为：气压力0.5～0.7 MPa，浆液压力25～28 MPa；旋转速度15～20 r/min，提升速度15～20 cm/min，流量70～100 L/min，浆液比重为1.4～1.6 kg/cm3。现场作业如图11所示。

(a) 有掌子面加固；(b) 无掌子面加固

图10 高压旋喷桩加固范围及布置

图11 高压旋喷桩现场作业

现场实测地表沉降值如表5所示。从表5可以看出：相比无掌子面加固工况，采用高压旋喷桩加固工况在掌子面前方、上方、后方的地表沉降分别减少了37.9%，14.0%和8.6%，与前述数值模拟结果有较好的一致性，即在本工程条件下，减小最终(掌子面后方)地表沉降的主要手段是初期支护，超前加固并不能显著减小最终的地表沉降。

表 5 地表沉降现场监测值

4 结论

1) 隧道初期支护是减小地表沉降的主要手段，尤其是掌子面通过后的最终地表沉降，可将掌子面到沉降趋于稳定的范围从2减小至1.5。

2) 超前加固对先期(掌子面前方)地表沉降影响相对明显，但对最终(掌子面后方)地表沉降几乎没有影响，可将掌子面到沉降起始发展的范围从2减小至1.5。另一方面，超前加固可显著减小掌子面挤出位移。

3) 同时实施初期支护和超前加固措施的地表沉降可近似认为是仅初期支护和仅超前加固的叠加结果，从掌子面前方到后方，两者相对误差越来越小，掌子面后方的误差仅为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