李志清，丁春林，李雙美，舒進(jìn)

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.中鐵二十五局集團(tuán)第五工程有限公司，青島266000；3.鐵道部第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142）

淺埋大斷面黃土隧道圍巖變形時(shí)空效應(yīng)分析

李志清1，丁春林1，李雙美2，舒進(jìn)3

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.中鐵二十五局集團(tuán)第五工程有限公司，青島266000；3.鐵道部第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142）

以大西客運(yùn)專線某隧道淺埋段為工程背景，針對(duì)三七微臺(tái)階法施工條件下的圍巖變形特性進(jìn)行了現(xiàn)場測試分析。實(shí)測結(jié)果表明：隧道在開挖的過程中其圍巖變形受時(shí)間、空間效應(yīng)的影響，整個(gè)時(shí)程曲線呈“廠”型，增長歷時(shí)約25天；隧道縱向開挖面的影響距離大約為2倍的洞徑；監(jiān)測斷面距離開挖面1倍的洞徑時(shí)，拱頂下沉釋放率均達(dá)到了70%以上，仰拱開挖時(shí)，拱頂下沉釋放率增加了約30%；二次襯砌的合理施作時(shí)間約為隧道開挖后在初期支護(hù)施作16～19天后。該結(jié)果對(duì)深入了解類似隧道圍巖變形規(guī)律，確定合適的支護(hù)時(shí)機(jī)很有意義。

大斷面黃土隧道；淺埋；監(jiān)控量測；圍巖變形；時(shí)空效應(yīng)

某隧道由于其淺埋、斷面大及黃土特殊的工程性質(zhì)，是大西客運(yùn)專線的重點(diǎn)控制工程，隧道開挖后易發(fā)生大變形和坍塌［1］，圍巖的穩(wěn)定性控制形勢極為嚴(yán)峻。圍巖變形是隧道穩(wěn)定性判定最直接的依據(jù)，而目前對(duì)于淺埋大斷面黃土隧道圍巖變形時(shí)空效應(yīng)的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于工程實(shí)踐，扈世民等［2］依托蘭渝鐵路大斷面黃土隧道工程，采用三維數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)分析了臺(tái)階法施工中圍巖深部變形特征；陳建勛等［3］通過現(xiàn)場測試分析了單洞兩車道分離式黃土隧道的施工變形特性，并對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行了回歸分析；喬春生等［4］通過土工試驗(yàn)、現(xiàn)場監(jiān)測和三維有限元模擬等方法，對(duì)飽水黃土隧道的變形規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可為今后修建類似隧道積累經(jīng)驗(yàn)；畢長武等［5］在黃土隧道內(nèi)開展了長期的變形監(jiān)測，得到了黃土隧道隨時(shí)間變化的三個(gè)階段，并對(duì)施工和支護(hù)過程提出了針對(duì)性的建議；初厚永［6］結(jié)合鄭西鐵路客運(yùn)專線高橋大斷面黃土隧道的監(jiān)控量測工作，詳細(xì)介紹了監(jiān)控量測極其數(shù)據(jù)的處理；李寧［7］也對(duì)鄭西客專黃土隧道圍巖變形進(jìn)行了分析，得出一些有益的結(jié)論；吳永［8］利用Midas/GTS有限元分析軟件研究了黃土隧道開挖支護(hù)后的位移場，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析對(duì)比，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)；趙東平等［9］統(tǒng)計(jì)分析了大斷面黃土隧道初期支護(hù)變形量，研究了大斷面黃土隧道變形規(guī)律及預(yù)留變形量合理取值范圍。

以上學(xué)者主要研究了在預(yù)留核心土法、臺(tái)階法、蓋挖法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等工法條件下黃土隧道的圍巖變形特性，而對(duì)于大斷面淺埋黃土隧道采用三七微臺(tái)階法施工中圍巖變形時(shí)空效應(yīng)的研究甚少。因此，研究淺埋大斷面黃土隧道采用三七微臺(tái)階法施工中圍巖變形時(shí)空效應(yīng)對(duì)于指導(dǎo)同類隧道工程設(shè)計(jì)和施工具有重要意義。本文針對(duì)某隧道地質(zhì)特性及圍巖變形情況，通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析了淺埋大斷面黃土隧道采用三七微臺(tái)階法施工過程中的圍巖變形時(shí)空效應(yīng)。

1 工程概況

大西客運(yùn)專線某隧道總長3 083m，隧道開挖面積為161.64m2，全隧埋深為7～49m，隧道處于低山丘陵區(qū)，黃土溝壑較發(fā)育。隧道洞身主要穿越地層為第四系上更新統(tǒng)坡洪積層（Q3dl+pl）新黃土和中更新統(tǒng)洪積層（Q2pl）老黃土。新黃土為黃褐色，堅(jiān)硬～硬塑，顆粒均勻，具大孔隙，含薄層細(xì)圓礫土和鈣質(zhì)結(jié)核層，夾多層淺棕紅色古土壤層；老黃土為淺棕紅色，堅(jiān)硬～硬塑，土體緊密，含鈣質(zhì)結(jié)核層和洪積碎石類土和砂土，覆土較薄，綜合評(píng)定為V級(jí)黃土圍巖［10］。隧道輪廓為五心拱（含仰拱），其現(xiàn)場施工情況如圖1所示。

2 現(xiàn)場實(shí)測內(nèi)容及方法

隧道采用三臺(tái)階七步開挖法施工，隧道測試斷面的選擇充分考慮了隧道埋深、節(jié)理裂隙發(fā)育程度及施工情況等因素，本文選取淺埋段典型斷面實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。隧道變形監(jiān)控量測包括拱部沉降量測和凈空收斂量測。其中隧道拱頂下沉采用精密水準(zhǔn)儀和鋼掛尺量測，洞周水平收斂采用收斂計(jì)量測?；c(diǎn)埋設(shè)在受施工擾動(dòng)的范圍以外的結(jié)構(gòu)物上，測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖1 隧道現(xiàn)場施工圖Fig.1 Construction of tunnel

圖2 拱頂及洞周測點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Monitoring points of vault and periphery

3 現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果及分析

3.1 圍巖變形與時(shí)間的變化規(guī)律

隧道洞內(nèi)凈空收斂變形監(jiān)測斷面數(shù)量較多，受篇幅限制，對(duì)監(jiān)測斷面不一一列舉加以分析，在斷面的選擇上，選擇距隧道洞口約180m處較典型的3個(gè)監(jiān)測斷面的拱頂沉降及洞周收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)圍巖變形與時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行分析，拱頂沉降—時(shí)間曲線如圖3所示，洞周收斂選取DK204+775斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其洞周收斂—時(shí)間曲線如圖4所示。

圖3 拱頂下沉-時(shí)間曲線Fig.3 Vault sink-time curve

圖4 DK204+775斷面洞周收斂-時(shí)間曲線Fig.4 Periphery convergence-time curve at section DK204+775

由上圖拱頂下沉及洞周收斂—時(shí)間曲線圖分析可知：

1）隧道拱頂下沉具有隨著時(shí)間推移而逐漸增大的性質(zhì)，其趨勢為“快速增長——緩慢增長——基本穩(wěn)定”，整個(gè)時(shí)程曲線呈“廠”型，整個(gè)增長曲線約歷時(shí)25天，快速增長階段一般持續(xù)5天，因此，這段時(shí)間每天監(jiān)測兩次，緩慢增長階段一般持續(xù)6天，即隨著開挖面的向前推進(jìn)，隧道圍巖變形開始趨于穩(wěn)定，在此階段之后，隧道圍巖變形基本趨于穩(wěn)定，增長速率約為0.1mm·d-1，最終達(dá)到穩(wěn)定，這一階段持續(xù)時(shí)間最長，一般約為8～10天，這是由于仰拱的封閉，圍巖內(nèi)應(yīng)力發(fā)生微小的變化，直到二次襯砌施作，黃土由于其自身的結(jié)構(gòu)特性，在此階段表現(xiàn)出了緩慢的流變特性；

2）隧道采用三七微臺(tái)階法開挖，隧道拱頂最大下沉值控制在30mm左右，其中DK204+765、DK204+ 770，DK204+775拱頂下沉值分別為27.7，34.2，29.7mm，均符合我國隧道施工相關(guān)規(guī)范值，中臺(tái)階及下臺(tái)階的開挖導(dǎo)致拱頂下沉發(fā)生跳躍性的變化，且仰拱的封閉對(duì)于隧道的整體穩(wěn)定起到了關(guān)鍵的作用，即仰拱的封閉使隧道受到了環(huán)形的支撐作用，圍巖應(yīng)力重分布趨于穩(wěn)定；

3）隧道拱頂下沉值大于洞周收斂值，但其增長趨勢基本一致，上、中、下臺(tái)階收斂增長趨勢也一致，經(jīng)歷快速增長，緩慢增長后趨于穩(wěn)定，但其整個(gè)穩(wěn)定過程較拱頂下沉慢，持續(xù)了約20天。中臺(tái)階收斂值最大，為22.5mm，上臺(tái)階收斂值次之，為21.1mm，下臺(tái)階收斂值最小，為20.5mm，這是由于中臺(tái)階處于隧道跨度最大的位置，在隧道開挖之后，原巖應(yīng)力受到較大的擾動(dòng)，在隧道開挖跨度最大處，應(yīng)力較為薄弱，產(chǎn)生了向洞內(nèi)較大的收斂變形，此處應(yīng)力釋放較其他位置明顯。

3.2 圍巖變形與開挖面距離的變化規(guī)律

隧道開挖過程中，由于開挖面的約束效應(yīng)，使開挖面附近的圍巖應(yīng)力不能瞬間全部釋放，導(dǎo)致圍巖位移不能立即全部釋放，因此，開挖面附近的圍巖變形將隨著隧道縱向變化，也是開挖面的“空間效應(yīng)”［11，12］。淺埋大斷面黃土隧道由于其黃土特殊的工程性質(zhì)以及采用三七微臺(tái)階法開挖，因此，有必要對(duì)其開挖面的“空間效應(yīng)”進(jìn)行研究，由于隧道拱頂下沉與洞周收斂的變化趨勢一致，本文選擇拱頂下沉作為分析對(duì)象，得到拱頂下沉與距開挖面距離之間的關(guān)系，進(jìn)而研究開挖面的“空間效應(yīng)”（如表1，表2）。

表1 DK204+770斷面拱頂下沉與開挖面距離關(guān)系Tab.1 Vault sink-distance at section DK204+770

表2 DK204+775斷面拱頂下沉與開挖面距離關(guān)系Tab.2 Vault sink-distance at section DK204+775

由上表拱頂下沉與開挖面距離關(guān)系分析可知：

1）拱頂下沉與距開挖面距離之間的發(fā)展規(guī)律一致，整個(gè)增長過程分為3個(gè)階段，第一階段：當(dāng)監(jiān)測斷面距離開挖面約30m，即監(jiān)測斷面與開挖面的距離約為2倍的洞徑，增長較快，表現(xiàn)出隧道拱頂下沉釋放率較大；第二階段：當(dāng)監(jiān)測斷面距離開挖面大于30m，即監(jiān)測斷面與開挖面的距離大于2倍的洞徑，增長平緩，隧道拱頂下沉釋放率較??；第三階段：當(dāng)監(jiān)測斷面距離開挖面大于45m，即監(jiān)測斷面與開挖面的距離大于3倍，拱頂下沉已基本停滯發(fā)展，說明開挖面形成了有效的拱效應(yīng)。因此，在淺埋大斷面黃土隧道中，開挖面的影響距離大約為2倍的洞徑，且整個(gè)監(jiān)測的重點(diǎn)應(yīng)在開挖的初期，在施工開挖中應(yīng)將初期監(jiān)測作為重點(diǎn)，及時(shí)埋設(shè)測點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

2）三七微臺(tái)階法開挖的淺埋大斷面黃土隧道，監(jiān)測斷面距離開挖面1倍的洞徑時(shí)，拱頂下沉釋放率均達(dá)到了70%以上，斷面DK204+770和DK204+775分別為73.2%和73.4%。仰拱開挖時(shí)，拱頂下沉釋放率增加了約30%，其增長率較其他均大，說明，在仰拱開挖之前，圍巖保持了短期的應(yīng)力重分布，仰拱的開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)較大，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)仰拱開始時(shí)的監(jiān)測及支護(hù)，及時(shí)封閉仰拱。

3.3 二次襯砌施作時(shí)機(jī)的確定

根據(jù)圍巖拱頂下沉和洞周收斂的穩(wěn)定時(shí)間，圍巖變形穩(wěn)定時(shí)間均值為約為16天，洞周收斂穩(wěn)定時(shí)間約為19天，圍巖拱頂下沉穩(wěn)定時(shí)間較洞周收斂穩(wěn)定時(shí)間早3天左右。根據(jù)規(guī)范主要變形速率和總位移量比率［13］，結(jié)合本文淺埋大斷面黃土隧道圍巖穩(wěn)定時(shí)間，得到二次襯砌合理地施作施加：隧道開挖后在初期支護(hù)施作16～19天后（也即拱頂下沉速率≤0.15mm·d-1）即可施作二次襯砌，也即距離開挖面距離約48m。

4 結(jié)論

本文結(jié)合大戲客專某淺埋黃土隧道采用三七微臺(tái)階施工過程，從現(xiàn)場監(jiān)控量測資料入手，對(duì)淺埋大斷面黃土隧道的圍巖變形時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行了一定的分析和研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1）隧道在開挖的過程中其圍巖變形受時(shí)間、空間效應(yīng)的影響。在時(shí)間效應(yīng)上，隧道拱頂下沉和洞周收斂的變化規(guī)律基本一致，經(jīng)歷了“快速增長——緩慢增長——基本穩(wěn)定”的過程，整個(gè)時(shí)程曲線呈“廠”型，整個(gè)增長曲線約歷時(shí)25天。

2）拱頂下沉與距開挖面距離之間的關(guān)系曲線增長分為三個(gè)階段，第一階段：監(jiān)測斷面與開挖面的距離約為2倍的洞徑，增長較快；第二階段：監(jiān)測斷面與開挖面的距離大于2倍的洞徑，增長平緩；第三階段：監(jiān)測斷面與開挖面的距離大于3倍，拱頂下沉已基本停滯發(fā)展，開挖面形成了有效的拱效應(yīng)。因此，在淺埋大斷面黃土隧道中，開挖面的影響距離大約為2倍的洞徑。

3）三七微臺(tái)階法開挖的淺埋大斷面黃土隧道，監(jiān)測斷面距離開挖面1倍的洞徑時(shí)，拱頂下沉釋放率均達(dá)到了70%以上，仰拱開挖時(shí)，拱頂下沉釋放率增加了約30%，其增長率較其他均大，說明，在仰拱開挖之前，圍巖保持了短期的應(yīng)力重分布，仰拱的開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)較大，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)仰拱開始時(shí)的監(jiān)測及支護(hù)，及時(shí)封閉仰拱。

4）二次襯砌的合理施作時(shí)間約為隧道開挖后在初期支護(hù)施作16～19天后。

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Space-time Effect of Surrounding Rock Deformation in Shallowdepth Large Section Loess Tunnels

Li Zhiqing1,Ding Chunlin1,Li Shuangmei2,Shu Jin3
(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China; 2.The Fifth Construction of Engineering Company,China Railway 25th Bureau Group,Co.,Ltd.,Qingdao 266000,China; 3.The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin300142,China)

Taking shallow section of the Xinzhou tunnel in Datong-Xi'an passenger line as the engineering back?ground,this study uses sitemonitoring tomeasure space-time effect of surrounding rock deformation in threemi?cro bench seven step excavationmethod.Results show:deformation of surrounding rock is affected by space-time under excavation;the time curve is in inverted"L"shape andmay last about 25 days;the impact distance of exca?vation face is about twice of the tunnel diameter longitudinally;when the distance betweenmonitoring sections and excavation face is equal to the tunnel diameter,release rate of the vault crown settlement reachesmore than 70%; when the invert is excavated,release rate of the vault crown settlement increases about 30%;the reasonable time of secondary lining construction is 16-19 days later after initial support construction.It is significant for compre?hending the surrounding rock deformation in details to determine the reasonable support time.

large section loess tunnel;shallow depth;sitemonitoring;deformation of surrounding rock;spacetime effect

U25

A

2014-05-16

李志清（1988—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閹r土工程、隧道與地下工程等方面；丁春林（1967—），男，副教授，研究方向?yàn)樗淼琅c地下工程。

1005-0523（2014）04-0006-05