于 介

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710043)

0 引言

近年來, 業(yè)界對(duì)黃土隧道發(fā)生變形侵限的問題做了一定研究。宋維龍等[1]采用統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)甘肅某黃土隧道襯砌開裂進(jìn)行分析, 結(jié)果表明圍巖受到地下水浸水影響是襯砌開裂的主要原因，且浸水范圍越大，襯砌受力情況越惡劣。趙元科[2]依托新莊嶺隧道綜合分析隧道開裂的原因?yàn)閲鷰r等級(jí)劃分有誤導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)偏弱，進(jìn)而引起初期支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形。高曉春等[3]對(duì)黃土隧道隧址區(qū)地下水入滲引起支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象進(jìn)行分析并給出處治建議，結(jié)果表明調(diào)整注漿參數(shù)、阻礙地下水滲流可以有效改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性，控制隧道變形。陳建勛等[4]對(duì)大跨隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)大變形侵限等問題進(jìn)行研究并得出結(jié)論，淺埋地段地基承載力較低的隧道可以使用鋼管樁進(jìn)行基底加固，從而達(dá)到控制隧道大變形的目的。賴金星等[5]對(duì)淺埋黃土隧道3層支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明初期支護(hù)結(jié)構(gòu)在隧道安全施工中扮演了重要角色，承擔(dān)了淺埋黃土隧道的大部分圍巖荷載。

目前，大多數(shù)的淺埋隧道地表變形機(jī)制、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性以及淺埋隧道修建技術(shù)研究成果都是基于圍巖自身的工程特性和原始地層特性考慮的，未能充分考慮地表水徑流的影響以及埋深關(guān)系。上閣村隧道穿越董志塬區(qū)臺(tái)塬地形地貌，為長(zhǎng)距離淺埋慢坡段隧道，地表匯水面積廣闊，淺埋黃土地層水敏性強(qiáng)。鑒于此，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、模型對(duì)董志塬區(qū)淺埋大斷面隧道施工變形問題進(jìn)行分析研究，針對(duì)性地給出施工建議，并對(duì)處治效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為同類工程提供參考。

1 工程概況

上閣村隧道位于甘肅省慶陽市董志塬區(qū)上塬部分，進(jìn)口位于塬邊溝壑梁茆區(qū)，出口位于塬面平坦農(nóng)田區(qū)，全長(zhǎng)6.78 km。出口1.1 km為長(zhǎng)段落淺埋慢坡段，埋深小于20 m，如圖1所示。

圖1 上閣村隧道地質(zhì)剖面

隧道通過地層為第四系上、中更統(tǒng)風(fēng)積黃土，土質(zhì)均一，針狀孔隙發(fā)育，垂直節(jié)理發(fā)育，土體疏松，具有自重濕陷性，Ⅴ級(jí)圍巖，Ⅴe復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用I25a型鋼鋼架，間距0.6 m/榀，網(wǎng)噴C25混凝土，厚度35 cm，采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法開挖[6]，開挖斷面162 m2, 屬于大斷面隧道。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 測(cè)點(diǎn)布置與監(jiān)測(cè)方法

選擇在埋深H為5、10、15、20 m的對(duì)應(yīng)里程設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)①，收斂點(diǎn)②-⑤，見圖2。

監(jiān)測(cè)方法為在圍巖土體插入φ20 mm的鋼筋，在露置于洞內(nèi)側(cè)的鋼筋端部焊接一塊方形薄鐵片并粘貼反光膜片(GD01、SL01-SL04)，采用高精度的Leica全站儀進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)量精度為0.1 mm。根據(jù)變形速率調(diào)整觀測(cè)頻率，一般為每天1次，直至變形基本穩(wěn)定后結(jié)束觀測(cè)。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，繪制不同埋深條件下隧道洞內(nèi)變形及含水率變化時(shí)程曲線。綜合分析后發(fā)現(xiàn)，含水率變化整體呈逐步增長(zhǎng)趨勢(shì)，沉降及收斂呈快速增長(zhǎng)-持續(xù)增長(zhǎng)-趨于平穩(wěn)3階段變化[7]。1)不同埋深所表現(xiàn)的差異沉降不盡相同。埋深增加，收斂變形量值有減小趨勢(shì)，收斂變形明顯小于拱頂沉降[8-9]。 2)隨著時(shí)間推移，含水率變化與沉降量表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，在掌子面掘進(jìn)過程中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的含水率逐漸增加，且拱頂沉降量曲線斜率整體呈增大趨勢(shì); 3)隧道初期支護(hù)封閉成環(huán)以后，含水率雖持續(xù)增長(zhǎng)但基本對(duì)圍巖變形影響較小。

由圖3分析可知，隧道埋深H=5 m時(shí)，隨著開挖自由面形成，在空間上地表水向洞內(nèi)徑流補(bǔ)給距離短，表現(xiàn)為含水率迅速增長(zhǎng)，拱頂沉降量曲線斜率呈增大趨勢(shì)，尤其在下臺(tái)階開挖后至仰拱開挖階段，上臺(tái)階含水率增加2.9%，拱頂沉降量增幅約87.5%，累計(jì)沉降量達(dá)217 mm。

圖3 埋深H=5 m時(shí)，含水率與沉降量隨開挖的變化曲線(2019年)

隧道埋深H=10 m時(shí)，地表水向洞內(nèi)徑流補(bǔ)給在空間上存在一定距離，且越向下部發(fā)展黃土致密性越好，對(duì)徑流下滲具有一定阻滯作用。直到自由面打開，自下臺(tái)階開挖至仰拱開挖階段，含水率曲線斜率快速增大，拱頂沉降量曲線斜率呈增大趨勢(shì)，上臺(tái)階含水率增加2.1%，拱頂沉降量增幅約47.1%，累計(jì)沉降量達(dá)304.6 mm，如圖4所示。

圖4 埋深H=10 m時(shí)，含水率與沉降量隨開挖的變化曲線(2019年)

因此，現(xiàn)場(chǎng)施工中表現(xiàn)出下臺(tái)階、仰拱開挖沉降變形速率大于中臺(tái)階變形速率，甚至有時(shí)也大于上臺(tái)階變形速率。當(dāng)累計(jì)沉降量>250 mm時(shí)，拱部初期支護(hù)噴射混凝土面就出現(xiàn)了環(huán)形張拉裂縫，且隨著時(shí)間的推移裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，極易發(fā)生脫拱應(yīng)力釋放完全而導(dǎo)致隧道塌方事故，同時(shí)地表產(chǎn)生縱向凹陷面。DK213+885拱頂支護(hù)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂情形，如圖5所示； DK213+885地表出現(xiàn)凹陷面、縱向裂縫，如圖6所示。

圖5 DK213+885拱頂支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂

圖6 DK213+885地表的凹陷面、縱向裂縫

由圖7分析可知，隧道埋深H=20 m時(shí)，洞身基本位于Q2中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土層，滲透性相對(duì)Q3上更新統(tǒng)黃土低，含水率曲線斜率呈現(xiàn)平緩增加-快速增加-飽和含水平穩(wěn)形態(tài)，沉降量曲線斜率遵從快速增長(zhǎng)-持續(xù)增長(zhǎng)-趨于平穩(wěn)的3階段變化。自由面打開后，自下臺(tái)階至仰拱開挖階段，上臺(tái)階含水率增加2.6%，拱頂沉降量增幅約42.3%，總累計(jì)沉降量達(dá)176 mm。查看地表可見左右對(duì)稱于隧道中線的地表縱向裂縫[10]，裂縫與隧道中線之間的水平距離為13.5～13.87 m，中間形成縱向沉降槽。產(chǎn)生這種情況的原因是因?yàn)樽杂擅娲蜷_后拱部為支護(hù)結(jié)構(gòu)受力集中區(qū)，表現(xiàn)為拱頂初期支護(hù)結(jié)構(gòu)下表面拉應(yīng)力和剪應(yīng)力值大，土體抗剪強(qiáng)度低，出現(xiàn)兩翼沿開挖自由面形成滑動(dòng)剪切破壞現(xiàn)象，地表逐漸形成縱向沉降槽，如圖8所示。

圖7 埋深H=20 m時(shí)，含水率與沉降量隨開挖的變化曲線(2019年)

(a) (b)

3 三維數(shù)值計(jì)算模型及結(jié)果分析

3.1 模型建立及參數(shù)選取

針對(duì)上閣村隧道DK213+870～+910淺埋段變形開裂的情況，利用FLAC 3D軟件建立三維仿真地質(zhì)模型對(duì)隧道初期支護(hù)受力特征進(jìn)行分析。隧道采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法模擬，開挖工法與模型示意如圖9所示。模型長(zhǎng)、寬及下表面高度取4倍洞徑，分別為125、80、73 m，上表面取埋深8 m至地表，地表Q3黃土厚度為10 m，其余為Q2黃土。

圖9 開挖工法及模型示意

文獻(xiàn)[11-13]通過室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算等手段對(duì)Q2、Q3黃土本構(gòu)模型進(jìn)行分析，研究表明低含水率黃土垂直節(jié)理發(fā)育特性可以用遍布節(jié)理準(zhǔn)則中較小的節(jié)理黏聚力和垂直節(jié)理傾角模擬。本文選取雙線性應(yīng)變軟化遍布節(jié)理模型模擬黃土圍巖，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)給出計(jì)算參數(shù)。襯砌采用線彈性模型模擬。圍巖物理力學(xué)參數(shù)與支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見表1和表2。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

3.2 圍巖變形分析

為消除模型Y軸固定邊界造成的計(jì)算誤差，對(duì)模型中間斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。隧道開挖后，中間監(jiān)測(cè)斷面完整拱頂沉降LDP曲線如圖10所示。數(shù)值計(jì)算可以完整展現(xiàn)上臺(tái)階初期支護(hù)施作前的超前位移和應(yīng)力釋放位移。由圖10可知，模型計(jì)算出的最大沉降量為288 mm，超前沉降量為80 mm。與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值相比相差5.7%，在合理誤差范圍內(nèi)，驗(yàn)證了模型和取值參數(shù)的可靠性。掌子面超前位移占總位移的27.8%；上臺(tái)階開挖位移為76 mm，占總位移的26.4%。上臺(tái)階開挖后拱頂圍巖變形量已經(jīng)超過總位移的一半，說明隧道拱部初期支護(hù)承擔(dān)了大部分的圍巖荷載。

圖10 縱向開挖中間斷面拱頂沉降LDP曲線

Fig. 10 Settlement curve of crown of longitudinal intermediate cross-section

3.3 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

3.3.1 拉應(yīng)力

初期支護(hù)拉應(yīng)力云圖如圖11所示。由圖可知，上臺(tái)階拱腳到拱頂?shù)睦瓚?yīng)力值遠(yuǎn)大于其他位置的，隧道拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拱頂位置，向兩側(cè)拱腳依次遞減。通過放大拱頂拉應(yīng)力云圖可以看出，襯砌下表面拉應(yīng)力大于上表面拉應(yīng)力值，達(dá)到4 MPa左右。取C25混凝土拉應(yīng)力極限值為2.4 MPa[14]，此時(shí)隧道拱部拉應(yīng)力值為抗拉極限強(qiáng)度的1.7倍，隧道拱部下表面極易產(chǎn)生張拉裂縫。襯砌拱部中部拉應(yīng)力為1.88 MPa，上表面拉應(yīng)力值為0.9 MPa，支護(hù)結(jié)構(gòu)環(huán)向裂縫容易向內(nèi)部發(fā)展。

提取隧道初期支護(hù)拱頂下表面拉應(yīng)力隨施工步驟變化數(shù)值，繪制拱頂拉應(yīng)力變化如圖12所示。由圖可知，掌子面開挖完成并施作拱部初期支護(hù)后，拱頂拉應(yīng)力迅速增大，增長(zhǎng)速率最快。此時(shí)，隧道襯砌尚未成環(huán)，拱部初期支護(hù)承擔(dān)了大部分的圍巖壓力[15]。隨著中、下臺(tái)階開挖，拱腰、邊墻襯砌施作，拱頂拉應(yīng)力值增長(zhǎng)速率有所減緩。仰拱封閉后，拱頂拉應(yīng)力值變化幅度不大，拉應(yīng)力值基本趨于穩(wěn)定。

圖11 初期支護(hù)拉應(yīng)力云圖(單位： Pa)

圖12 初期支護(hù)拱頂拉應(yīng)力變化

3.3.2 剪應(yīng)力

初期支護(hù)剪應(yīng)力云圖如圖13所示。由圖13可知，初期支護(hù)剪應(yīng)力最大值在隧道襯砌拱部下表面，與拉應(yīng)力最大值所處位置相同，最大剪應(yīng)力達(dá)到3.4 MPa。左右上臺(tái)階拱腳位置最大剪應(yīng)力值均較大，為3.1 MPa左右，仰拱部位剪應(yīng)力值非常小?？梢钥闯?，剪應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在隧道拱部襯砌內(nèi)表面，這與拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置相同。可見拱部初期支護(hù)結(jié)構(gòu)為隧道受力最薄弱處。

圖13 初期支護(hù)剪應(yīng)力云圖(單位: Pa)

Fig. 13 Maximum shear stress nephogram of primary support(unit: Pa)

綜上分析可知，研究段落隧道地層自上而下主要為上更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土Q3和中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土Q2，其中Q3層厚5～15 m，Q2層厚15～120 m。黃土層質(zhì)地松散、圍巖強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差，加上隧道埋深淺、開挖跨度大，以及地表水徑流下滲影響，隧道開挖應(yīng)力釋放迅速。在條件復(fù)雜變化的情況下，隧道拱部初期支護(hù)變形和地表沉降發(fā)展速度快、量值大。對(duì)比圖3(埋深H=5 m)和圖4(埋深H=10 m)，兩者均處于上更新黃土層Q3段落，埋深淺段地層飽和含水率先于埋深厚段到達(dá)，故而埋深淺段落相較于埋深厚段落沉降發(fā)展速度快，但埋深厚段落累計(jì)沉降量大于埋深淺段落，且累計(jì)沉降量>250 mm時(shí)，拱部初期支護(hù)就出現(xiàn)了環(huán)形張拉裂縫。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與黃土直立結(jié)構(gòu)性有關(guān)，地表沉降變形值達(dá)到一定程度時(shí)產(chǎn)生可見的張拉裂縫，拱部上部形成垂直土柱，自重全部施加在結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)迅速沉降變形，初期支護(hù)內(nèi)表面拉應(yīng)力迅速增大，引起隧道拱部沉降量大，甚至開裂。

故而建議在埋深H<10 m的段落采取必要的加密超前、加強(qiáng)鎖腳支護(hù)措施，縮短開挖臺(tái)階步距。對(duì)于開挖斷面位于Q3、Q2黃土層界面附近、埋深為10～15 m段落，黃土隧道施工安全的關(guān)鍵是加固隧道拱部松散圍巖，改善地層結(jié)構(gòu)性能，使得淺埋地層形成圍巖壓力拱，減小圍巖超前變形量和隧道拱部圍巖壓力值，最終達(dá)到控制圍巖變形的目的。

4 施工控制技術(shù)

4.1 地表注漿方案

為保證開挖安全，對(duì)隧道DK213+800～+760段洞身(拱頂覆土厚度約13 m)采取地表垂直注漿進(jìn)行超前預(yù)加固，對(duì)隧道洞身開挖區(qū)域及開挖輪廓線外一定范圍進(jìn)行充填、劈裂注漿加固，增加土體自穩(wěn)性[16]，處理措施如下。

1)洞身橫向加固范圍為隧道開挖輪廓線兩側(cè)各5 m，豎向加固范圍為拱頂以上5 m至拱頂以下3 m，隧道開挖輪廓線兩側(cè)為仰拱底至拱頂以上5 m。

2)采用φ50 mm、厚度δ=3.5 mm剛性袖閥管垂直注漿，布管間距為2.0 m×2.0 m，呈梅花形布置，漿液擴(kuò)散半徑為1.2 m，注漿壓力為2.0～3.0 MPa。

3)利用水囊式止?jié){塞實(shí)施后退式分段注漿工藝，分段長(zhǎng)度為0.5～1.0 m。注漿漿液選用普通P·O 42.5硅酸鹽水泥單液漿和水泥水玻璃雙液漿mw∶mc=0.8～1∶1。水玻璃玻美度35～40 ° Bé，模數(shù)2.4。

4)注漿方法： 利用CL-600型地質(zhì)鉆機(jī)垂直于地面進(jìn)行鉆孔，將制作好的袖閥管下放入孔內(nèi)，利用套殼料注入管向袖閥管周邊孔隙內(nèi)投入套殼料(套殼料采用水泥和膨潤(rùn)土混合液，配合比為水泥∶膨潤(rùn)土∶水=2∶1∶2)。通過下入注漿芯管(直徑20 mm)和止?jié){塞實(shí)現(xiàn)后退式分層注漿。止?jié){塞通過手壓泵加壓至2 MPa時(shí)開始注漿，當(dāng)注漿指標(biāo)達(dá)到技術(shù)要求時(shí)，停止注漿并后退一段，進(jìn)行下一階段注漿。同時(shí)，剛注過漿的閥套會(huì)收縮，緊緊抱住套管防止剛注過的漿液回流到袖閥管中，若注漿效果不好需要重新補(bǔ)注漿時(shí)，可在套管的適當(dāng)位置重新下入注漿塞，進(jìn)行重注。地表注漿技術(shù)工藝見圖14。

圖14 地表注漿技術(shù)工藝

地表剛性袖閥管注漿加固范圍剖面、平面布置如圖15和圖16所示。

圖15 地表剛性袖閥管注漿加固范圍剖面圖(單位: cm)

圖16 袖閥管注漿平面布置示意圖(單位： cm)

4.2 效果評(píng)價(jià)

注漿后，地層中的縫隙逐漸被充填密實(shí)，注漿結(jié)石率高，能有效改善地表黃土垂直節(jié)理發(fā)育特性，使得節(jié)理開度不同程度地減小，洞內(nèi)簡(jiǎn)化為采用三臺(tái)階法施工，小導(dǎo)管超前支護(hù)。對(duì)加固段采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，累計(jì)沉降量為160.2 mm，較加固前降低約47.4%，顯然，地表注漿加固對(duì)圍巖穩(wěn)定性控制有效。地表袖閥管注漿加固掌子面圍巖效果如圖17所示，地表注漿加固后圍巖監(jiān)測(cè)情況如圖18所示。

圖17 地表袖閥管注漿加固掌子面圍巖效果

圖18 地表注漿加固后圍巖監(jiān)測(cè)情況(2019年)

在注漿前后分別取樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，黏聚力、摩擦角、彈性模量等指標(biāo)各自平均值增幅為10%～35%。為進(jìn)一步驗(yàn)證剛性袖閥管注漿的處置效果，采用加固后的圍巖參數(shù)對(duì)處置效果進(jìn)行分析。圍巖采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則，物理力學(xué)參數(shù)提高30%，具體數(shù)值如表3所示。

表3 加固后圍巖物理力學(xué)參數(shù)

注漿加固后隧道豎向、橫向位移云圖分別如圖19和圖20所示。由圖分析可知，在采取地表注漿加固之后，拱頂豎向位移減小至198 mm，相比加固前減小31%的拱頂沉降量。圍巖橫向位移最大值為82 mm，小于拱頂豎向位移，在后續(xù)施工過程中需要對(duì)隧道拱部變形情況進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

圖19 圍巖加固后隧道豎向位移云圖(單位: m)

圖20 圍巖加固后隧道橫向位移云圖(單位: m)

5 結(jié)論與討論

1)黃土塬區(qū)淺埋慢坡段地層顆粒較粗，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率高，含水率高，水敏性強(qiáng)，隨地表水徑流下滲影響，隧道開挖應(yīng)力釋放迅速，拱部初期支護(hù)變形和地表沉降發(fā)展速度快、量值大。

2)在Q3黃土地層埋深淺段飽和含水率先于埋深厚段到達(dá)，沉降變形速度快，但埋深厚段落累計(jì)沉降量又大于埋深淺段落。含水率與圍巖沉降變形量增量正相關(guān)，但初期支護(hù)封閉成環(huán)后，含水率雖持續(xù)增長(zhǎng)但對(duì)圍巖變形影響基本較小。當(dāng)累計(jì)沉降變形量>250 mm時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)最不安全，易產(chǎn)生環(huán)向張拉裂縫。

3)建議埋深H<10 m段落采取必要的加密超前、加強(qiáng)鎖腳支護(hù)措施，縮短開挖臺(tái)階步距。對(duì)于開挖斷面位于Q3、Q2黃土層界面附近、埋深H為10～15 m段落，黃土隧道施工安全的關(guān)鍵是加固拱部松散圍巖，改善地層結(jié)構(gòu)性能。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，地表袖閥管注漿能有效加固黃土圍巖、改善黃土的結(jié)構(gòu)性能，有效控制地表沉降和圍巖變形。

4)淺埋隧道地質(zhì)地形條件復(fù)雜多樣，設(shè)計(jì)、施工通常采用經(jīng)驗(yàn)法、類比法進(jìn)行，這可能難以滿足未來淺埋大斷面隧道建設(shè)需求，后續(xù)可針對(duì)淺埋黃土隧道設(shè)計(jì)荷載計(jì)算方法，自穩(wěn)狀態(tài)下界限含水率、圍巖含水率變化規(guī)律及支護(hù)受力特性等方面進(jìn)行研究。