魏 綱, 姚王晶, 許 斌, 石長(zhǎng)江, 傅 翼, 王 哲,*
(1. 浙江大學(xué)城市學(xué)院土木工程系, 浙江 杭州 310015; 2. 浙江工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所, 浙江 杭州 310014;3. 中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司杭州分公司, 浙江 杭州 310015; 4. 杭州市城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司, 浙江 杭州 310002)
淺埋暗挖隧道的初期支護(hù)一般為柔性支護(hù),相對(duì)于盾構(gòu)隧道的管片襯砌而言,柔性支護(hù)的隧道變形更加明顯[1]。隧道的變形直接反映隧道開(kāi)挖后洞內(nèi)的穩(wěn)定性,開(kāi)挖后初期支護(hù)變形過(guò)快、變形量過(guò)大,是隧道洞內(nèi)發(fā)生坍塌的前兆[2]。而隧道開(kāi)挖后變形(拱頂沉降、周邊收斂)過(guò)大,也會(huì)導(dǎo)致初期支護(hù)變形超過(guò)警戒值,影響二次襯砌的施工[3]。因此,在淺埋暗挖隧道施工過(guò)程中,對(duì)隧道洞內(nèi)變形規(guī)律的分析具有重要意義。
目前針對(duì)隧道洞內(nèi)變形規(guī)律的研究,在南方軟黏土地區(qū),關(guān)于盾構(gòu)法隧道洞內(nèi)變形規(guī)律研究較多[4-6]; 在北方的黃土與粉質(zhì)黏土地區(qū),對(duì)淺埋暗挖法隧道洞內(nèi)變形規(guī)律研究較多。大斷面隧道在粉土與黃土中采用淺埋暗挖法開(kāi)挖時(shí),拱頂沉降量一般為幾十mm[7-9]; 而大斷面隧道在南方軟土中采用淺埋暗挖法開(kāi)挖時(shí),拱頂沉降量往往達(dá)到上百甚至幾百mm。廈門(mén)翔安大斷面淺埋軟土隧道采用CRD法開(kāi)挖時(shí),產(chǎn)生的平均拱頂沉降達(dá)192 mm,出口淺埋段部分拱頂沉降達(dá)450 mm左右[10-11]; 深圳地鐵1期3A標(biāo)國(guó)老區(qū)段采用淺埋暗挖法開(kāi)挖時(shí),沉降量也達(dá)到200 mm[12]; 深圳地鐵1期第6標(biāo)段采用淺埋暗挖法開(kāi)挖時(shí),沉降量達(dá)到200 mm[13]。在現(xiàn)有實(shí)測(cè)分析中,針對(duì)城市軟土地區(qū)大斷面淺埋暗挖隧道的分析較少,且缺乏對(duì)此類隧道土質(zhì)條件、開(kāi)挖工法、環(huán)境變化等單因素的實(shí)測(cè)比較分析,因此需對(duì)該類隧道作進(jìn)一步研究。
杭州市紫之隧道第1標(biāo)段工程淺埋暗挖段雙線隧道位于軟土地區(qū),工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜,分別采用CRD工法、四臺(tái)階法及上臺(tái)階中隔壁法開(kāi)挖。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)的隧道變形進(jìn)行分析,重點(diǎn)研究淤泥質(zhì)軟土中隧道的拱頂沉降、周邊收斂和仰拱隆起的變化規(guī)律,分析降雨、施工工法以及土質(zhì)條件等單因素對(duì)拱頂沉降的影響。
杭州市紫之隧道(紫金港路—之江路)工程南起之浦路,北至紫金港路,道路南北端各設(shè)1對(duì)匝道,線路全長(zhǎng)14.4 km,是杭州市“四縱五橫”快速網(wǎng)絡(luò)的重要一縱,也是全國(guó)最長(zhǎng)的城市隧道群。其中,紫之隧道第1標(biāo)段淺埋暗挖段西線里程范圍為 K0+792~K1+530,長(zhǎng)738 m,南段連接明挖基坑,北段連接山體隧道。
隧道K0+792~+860段為錢(qián)塘江沖海積平原地貌,上部有回填土; K0+860~ K1+440段屬湖沼積平原地貌,下部以湖沼積形成的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主,上部為回填土。
1)紫之隧道1號(hào)標(biāo)段淺埋暗挖段各土層地質(zhì)條件描述如下:
①-1雜填土,無(wú)層理,質(zhì)不均。
①-2素填土,無(wú)層理,質(zhì)不均。
②-1粉質(zhì)黏土,軟可塑,干強(qiáng)度中等。
③ 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,流塑,飽和; 黏塑性好,均一性好,含少量腐植物碎屑和黑色有機(jī)質(zhì)斑點(diǎn); 韌性高,干強(qiáng)度高。
⑤ 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,流塑,飽和,含少量有機(jī)質(zhì),下部夾有少量粉土薄層; 韌性中等,干強(qiáng)度高。
⑥ 含黏性土碎石,稍密實(shí)—中密實(shí),濕,碎石含量為50%~60%,碎石直徑為2~5 cm。
〈12〉-2強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,粉砂結(jié)構(gòu),中厚構(gòu)造層,泥質(zhì)膠結(jié),礦物風(fēng)化蝕變明顯,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖芯以碎塊狀為主,巖質(zhì)軟,錘擊易碎。
〈12〉-3 中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖, 粉砂結(jié)構(gòu),中厚層構(gòu)造,泥質(zhì)膠結(jié),局部夾有粉砂質(zhì)泥巖,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖芯以柱狀、長(zhǎng)柱狀為主,巖質(zhì)軟,錘擊易碎,易風(fēng)化,遇水軟化,巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD=65%~85%,巖體完整性一般。
〈15〉-1 全風(fēng)化玄武玢巖,斑狀結(jié)構(gòu),礦物分化劇烈,巖芯呈可塑狀粉質(zhì)黏土,刀可切開(kāi),原巖基本結(jié)構(gòu)破壞,原巖結(jié)構(gòu)不清晰。
〈15〉-2 強(qiáng)風(fēng)化玄武玢巖,斑狀結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,礦物風(fēng)化蝕變明顯,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖芯以碎塊為主,巖質(zhì)較硬,錘擊可碎。
〈15〉-3 中風(fēng)化玄武玢巖,斑狀結(jié)構(gòu),基質(zhì)交織結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙稍發(fā)育,巖芯以柱狀為主,柱長(zhǎng)10~30 cm,柱體表面較光滑,偶見(jiàn)夾寬度5 mm石英細(xì)脈,巖質(zhì)堅(jiān)硬,錘擊不易碎。
2)水文地質(zhì)條件如下:
全新統(tǒng)沖海積成因粉土松散巖類孔隙潛水含水層組主要分布于K0+792~+860段,含水層介質(zhì)由粉砂土、粉砂組成,屬于弱透水系,水量較豐富,民井出水量一般為20~50 m3??紫稘撍艽髿饨邓Q向入滲補(bǔ)給及地表水體下滲補(bǔ)給為主,與河塘有側(cè)向互為補(bǔ)給關(guān)系,徑流緩慢,以蒸發(fā)排泄和向附近河塘側(cè)向徑流排泄為主,水位隨季節(jié)氣候動(dòng)態(tài)變化明顯。
更新統(tǒng)洪積、沖洪積黏性土夾碎石松散巖類孔隙潛水含水層組主要分布于K0+860~K1+530段,為丘陵山麓地帶,含水層介質(zhì)有含碎石、礫石粉質(zhì)黏土、含黏性土碎石,土體呈中密實(shí)狀態(tài),滲透性差,水量貧乏。水位動(dòng)態(tài)變化較大,雨季水位較高,旱季水位較低,水位年變幅為1~3 m。
西線K0+843~K1+083段的縱向地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1,各土層的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1,各巖層的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。
表2巖層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)
Table 2 Index of physico-mechanical properties of rock layers
層號(hào)巖層名稱地基土承載力特征值/kPa土、石等級(jí)圍巖等級(jí)<12>-2強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖180ⅢⅤ<12>-3中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖350ⅣⅣ<15>-1全風(fēng)化玄武玢巖180ⅢⅤ<15>-2強(qiáng)風(fēng)化玄武玢巖280ⅢⅤ<15>-3中風(fēng)化玄武玢巖1 000ⅣⅣ
本文研究對(duì)象為紫之隧道第1標(biāo)段淺埋暗挖段,為雙線隧道(見(jiàn)圖2),進(jìn)洞口隧道軸線埋深12.8 m,高度為9.7 m,雙線隧道的中軸線間距為20 m,凈距為7.2 m。隧道呈橢圓形,等效面積約為 89.5 m2,隧道等效半徑約為5.4 m。實(shí)際工程中采用CRD工法、四臺(tái)階法、上臺(tái)階中隔壁法進(jìn)行施工,具體施工步驟與文獻(xiàn)[14]提到的施工步驟類似,四臺(tái)階法與三臺(tái)階七部法相似; 上臺(tái)階中隔壁法相比于臨時(shí)仰拱臺(tái)階法,不保留核心土而增加豎向支撐。
圖2 隧道進(jìn)洞口橫斷面示意 (單位: mm)Fig. 2 Sketch of cross-section of tunnel entrance (unit: mm)
紫之隧道第1標(biāo)段淺埋暗挖段施工工序?yàn)椋?1) 隧道在地質(zhì)較復(fù)雜地段采用超前地質(zhì)鉆探進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào); 2) 對(duì)開(kāi)挖區(qū)域進(jìn)行超前支護(hù),有超前大管棚+單排超前小導(dǎo)管+全斷面注漿和φ42 mm×4 mm雙層超前注漿小導(dǎo)管@30 cm(同一斷面上導(dǎo)管之間的間距)×300 cm(斷面間隔距離)、l=450 cm(注漿導(dǎo)管長(zhǎng)度)2種形式。管棚為φ108 mm熱軋無(wú)縫鋼管,壁厚6 mm,節(jié)長(zhǎng)4~6 m,接頭用長(zhǎng)15 cm的絲扣直接對(duì)口連接,管棚中增設(shè)由4根φ22 mm主筋和固定環(huán)組成環(huán)向間距為30 cm的鋼筋籠。
實(shí)際開(kāi)挖中,西線K0+792~K1+043段采用CRD工法,K1+043~+073段采用四臺(tái)階法,其余采用上臺(tái)階中隔壁法開(kāi)挖。淤泥質(zhì)黏土段采用CRD工法開(kāi)挖時(shí),地表采用高壓旋噴樁加固,樁長(zhǎng)16 m,穿過(guò)雜填土層、素填土層和粉質(zhì)黏土層,進(jìn)入淤泥質(zhì)黏土層。隧道邊線及中軸線采用φ600 mm旋噴樁@600 mm密切相排; 隧道邊線以內(nèi)采用φ600 mm旋噴樁@800 mm×900 mm梅花樁布置; 隧道邊線以外采用φ600 mm旋噴樁@800 mm×900 mm矩形布置。上臺(tái)階中隔壁法施工見(jiàn)圖3,CRD工法施工見(jiàn)圖4。
圖3 隧道洞內(nèi)上臺(tái)階中隔壁法施工
Fig. 3 Construction of intermediate diaphragm method for top heading
圖4 隧道CRD工法施工Fig. 4 Construction of CRD method
CRD工法隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意見(jiàn)圖5。由圖5可知,CRD工法開(kāi)挖時(shí)隧道洞內(nèi)每個(gè)斷面布置: 1)拱頂測(cè)點(diǎn)J1、J2(在每個(gè)導(dǎo)洞掌子面自上而下開(kāi)挖,焊接鋼拱架,噴射混凝土后立即布置,布置于噴射混凝土上); 2)隧道1部、2部分別布置三角形收斂變形監(jiān)測(cè)線S1-2、S1-3、S2-3(在1部掌子面開(kāi)挖至拱腰位置時(shí)立即布置,點(diǎn)1為拱頂點(diǎn),點(diǎn)2布置在豎向支撐上,點(diǎn)3布置于對(duì)應(yīng)拱腰位置的噴射混凝土上)和S4-5、S4-6、S5-6,3部、4部布置收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)S7-8、S8-9; 3) 拱頂拱腰差監(jiān)測(cè)點(diǎn)G1-2、G2-5。
四臺(tái)階法與上臺(tái)階中隔壁法隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意見(jiàn)圖6。由圖6可知,四臺(tái)階法與上臺(tái)階中隔壁法開(kāi)挖時(shí)隧道洞內(nèi)斷面布置: 1)拱頂測(cè)點(diǎn)J1、J2; 2)三角形收斂變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1-3、S2-4、S3-4; 3)拱頂拱腰差監(jiān)測(cè)點(diǎn)G1-2、G2-5。
拱頂沉降與仰拱隆起采用精確水準(zhǔn)儀測(cè)量測(cè)點(diǎn)與不動(dòng)點(diǎn)的絕對(duì)位移,周邊收斂采用收斂計(jì)進(jìn)行測(cè)量。拱頂沉降、周邊收斂與仰拱隆起的監(jiān)測(cè)頻率在前15 d為1次/d,如果沉降趨于穩(wěn)定,15 d后改為1次/2 d。拱頂沉降警戒值為20 mm,警戒速率為2 mm/d; 周邊收斂警戒值為20 mm,警戒速率為2 mm/d; 仰拱隆起警戒值為25 mm,警戒速率為2 mm/d。
圖5 CRD工法隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意
Fig. 5 Layout of monitoring points in tunnel constructed by CRD method
圖6四臺(tái)階法與上臺(tái)階中隔壁法隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意
Fig. 6 Layout of monitoring points in tunnel constructed by 4-bench method and intermediate diaphragm method for top heading
1)西線K0+877~+887段拱頂沉降隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖7(圖7中正值代表沉降,負(fù)值代表隆起,下同)。該段屬于淤泥質(zhì)黏土段,采用CRD工法開(kāi)挖,測(cè)點(diǎn)為圖5中拱頂沉降點(diǎn)J1。K0+877處1部的拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)于2015年1月17日布置(監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置當(dāng)日為讀數(shù)零點(diǎn),下同),初期支護(hù)在2~3 d后封閉; K0+882處1部的拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)于1月20日布置,初期支護(hù)在2~3 d后封閉; K0+887處1部的拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)于1月28日布置,初期支護(hù)在2~3 d后封閉。
圖7 K0+877~ +887段拱頂沉降隨時(shí)間變化曲線圖(2015年)
Fig. 7 Time-history curves of crown top settlement at section K0+877~+887 (in 2015)
由圖7可知: K0+877、K0+882、K0+887處的拱頂最終沉降值分別為122.16、146.63、115.83 mm,均遠(yuǎn)超警戒值(20 mm); 沉降持續(xù)時(shí)間為20 d左右。這是因?yàn)樵诒O(jiān)測(cè)點(diǎn)布置前,隧道拱頂已經(jīng)產(chǎn)生了較大的超前沉降,而這部分沉降未被監(jiān)測(cè)到[15],所以實(shí)際沉降會(huì)大于所測(cè)得的沉降。
2)K0+872與K0+877斷面拱腰處收斂隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖8(圖中正值代表收斂,負(fù)值代表擴(kuò)張)。K0+872處1部收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)于1月12日布置,初期支護(hù)在1~2 d后封閉,2部周邊收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)于1月20日布置,初期支護(hù)在1~2 d后封閉; K0+877處1部收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)于1月17日布置,初期支護(hù)在1~2 d后封閉,2部周邊收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)于1月23日布置,初期支護(hù)在1~2 d后封閉。
圖8 K0+872~+877段拱腰處收斂隨時(shí)間變化曲線圖(2015年)
Fig. 8 Time-history curves of haunch convergence at section K0+872~+877 (in 2015)
由圖8可知: K0+872與K0+877處的1部開(kāi)挖后拱腰最終收斂的變化規(guī)律為先收縮,初期支護(hù)封閉后又?jǐn)U張,二部開(kāi)挖后又收縮。這說(shuō)明隧道不僅發(fā)生了收縮,在收縮后隧道形狀又發(fā)生了橢圓化的變形。有一個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大值超過(guò)了警戒值(20 mm),說(shuō)明隧道發(fā)生的橢圓化變形比較明顯。
3)K0+870~+880段的拱頂沉降隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖9。由圖9可知: 仰拱隆起的監(jiān)測(cè)點(diǎn)于初期支護(hù)仰拱閉合后布置,在4月20日之前,仰拱隆起的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化不明顯,K0+870處還有略微隆起; 而在4月20日和5月20日左右,仰拱開(kāi)始產(chǎn)生沉降,至9月6日分別產(chǎn)生43.43、37.43 mm沉降,均超過(guò)警戒值(25 mm)。此外,2015年4月20日左右,K0+870處二次襯砌完成; 5月20日左右,K0+880處二次襯砌完成,二次襯砌上布置的收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示,二次襯砌幾乎不產(chǎn)生收斂。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中可以推斷出,二次襯砌完成后,隧道還產(chǎn)生了較大的整體沉降,其原因是: 由于隧道處于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中,對(duì)應(yīng)隧道基底承載力不足,導(dǎo)致隧道整體下沉。建議在對(duì)隧道進(jìn)行高壓旋噴樁超前加固時(shí),應(yīng)加深樁體的長(zhǎng)度,使隧道下部區(qū)域的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土也得到加固,增強(qiáng)隧道基底的地基承載力,減小整體沉降。
與廈門(mén)翔安隧道[10]拱頂沉降和拱腰收斂實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較(該隧道圍巖等級(jí)稍高,但地下水豐富)可知,紫之隧道工程的拱頂沉降值與其較為接近,但其拱腰收斂值較大且為擴(kuò)張,而紫之隧道拱腰收斂值較小且為收斂。與劉誠(chéng)等[16]研究的在寧波土質(zhì)條件較好的粉質(zhì)黏土中的隧道相比,翔安隧道拱頂沉降明顯較小,而紫之隧道的拱頂沉降值則較大。
西線K0+872~+887段的拱頂沉降隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖10。由圖10可知: K0+872、K0+877、K0+882、K0+887處所產(chǎn)生的最大拱頂沉降依次為137.94、122.16、146.63、115.83 mm。
圖9 K0+870~ +880段仰拱隆起隨時(shí)間變化曲線圖(2015年)
Fig. 9 Time-history curves of inverted arch settlement at section K0+870~+880 (in 2015)
圖10 K0+872~+887段拱頂沉降隨時(shí)間變化曲線圖(2015年)
Fig. 10 Time-history curves of crown top settlement at section K0+872~+887 (in 2015)
采用CRD工法開(kāi)挖,初期支護(hù)達(dá)到穩(wěn)定后,要拆除臨時(shí)仰拱與縱向支撐,臨時(shí)仰拱與縱向支撐拆除后,隧道拱頂又會(huì)產(chǎn)生一定程度的沉降。西線K0+872~+887段拆撐后拱頂沉降增量隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖11。由圖11可知: 拆撐后拱頂沉降增量的最大值分別為27.14、22.13、21.12、19.16 mm,拆撐后拱頂沉降增量占總拱頂沉降的14.63%,該部分沉降較大; 拱頂拆撐所產(chǎn)生的沉降持續(xù)了40 d左右,穩(wěn)定所需的時(shí)間也較長(zhǎng)。因此,在拆撐后需要注意隧道的穩(wěn)定,當(dāng)變化速率過(guò)快時(shí),需要減緩拆撐速度,防止初期支護(hù)超過(guò)警戒線,影響二次襯砌施作; 二次襯砌也不能在拆撐后立即施作,需要通過(guò)拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性判斷是否適合施作。
與張建國(guó)等[17]實(shí)測(cè)的廈門(mén)翔安隧道陸路段拱頂拆撐引起的拱頂沉降相比,紫之隧道拱頂拆撐引起沉降占總沉降的比例明顯偏大。這是由于此段隧道開(kāi)挖處于淤泥質(zhì)黏土中,相比廈門(mén)翔安隧道土質(zhì)更差,當(dāng)臨時(shí)支撐拆除后,初期支護(hù)與周邊土體的平衡被打破,而周邊土體自穩(wěn)性差,所以對(duì)初期支護(hù)產(chǎn)生了較大的壓力,使初期支護(hù)再次產(chǎn)生變形,引起較大的拱頂沉降。
圖11 K0+872~+887段拆撐后拱頂沉降增量隨時(shí)間變化曲線圖(2015年)
Fig. 11 Time-history curves of crown top settlement increment at section K0+872~+887 after support dismantling (in 2015)
2015年2月19日至3月8日天氣情況見(jiàn)表3,由表3可知,除2 d未下雨外,其余16 d都出現(xiàn)降雨。降雨對(duì)拱頂沉降會(huì)產(chǎn)生較大影響,在持續(xù)降雨、隧道開(kāi)挖所在土層土質(zhì)條件較差的情況下,會(huì)導(dǎo)致土體強(qiáng)度下降、上覆荷載增加,初期支護(hù)所承受的壓力達(dá)到極限,從而使支護(hù)失穩(wěn),導(dǎo)致拱頂沉降發(fā)生突變。如果不及時(shí)加固,就有可能導(dǎo)致坍塌。
表3 K0+902~ +922段開(kāi)挖時(shí)天氣情況
Table 3 Weather conditions when excavating section K0+902~+922
天氣持續(xù)時(shí)間/d小雨9中雨4大雨1中雪2
1)K0+902~+922段拱頂沉降隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖12,初期支護(hù)一般于開(kāi)挖后3 d內(nèi)封閉。由圖12可知: 由于降雨影響,K0+907、K0+912處的拱頂沉降速率隨時(shí)間的變化并沒(méi)有減緩,K0+917處拱頂沉降速率在3月5日左右更有增大的趨勢(shì),而K0+922處監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置當(dāng)日就產(chǎn)生了突變沉降,突變量為67.27 mm。從現(xiàn)場(chǎng)情況分析,導(dǎo)致拱頂沉降發(fā)生突變的原因?yàn)椋?①由于上部土體為雜填土,滲透系數(shù)大,雨水滲入土體使土體增重,隧道上部荷載增加,導(dǎo)致超載; ②連續(xù)的降雨使現(xiàn)場(chǎng)洞內(nèi)的滲水量增大,說(shuō)明土體中水的滲透力增大,使土體的強(qiáng)度進(jìn)一步降低。
2)K1+132~+141段拱頂沉降隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖13。由圖13可知: 在11月17日與11月18日隧道所在區(qū)域發(fā)生了大規(guī)模降雨,K1+132~+141段在11月17日至18日拱頂沉降也產(chǎn)生了突變,且突變量很大,達(dá)到146.01 mm。主要原因是: ①此段隧道開(kāi)挖土層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,而上部土體為雜填土,當(dāng)降雨量較大時(shí),上部土體由于雨水滲入導(dǎo)致重度增大,從而增大了上覆荷載,使隧道初期支護(hù)受到的壓力增大; ②雨水滲透時(shí)的滲流力也會(huì)使隧道初期支護(hù)受到的壓力增大; ③水能很快滲入至強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,而強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖被水浸泡后會(huì)軟化,使彈性模量減小,導(dǎo)致開(kāi)挖層土體強(qiáng)度降低。上述原因的共同作用導(dǎo)致了拱頂沉降產(chǎn)生突變。
圖12 K0+902~+922拱頂沉降隨時(shí)間變化曲線圖(2015年)
Fig. 12 Time-histoy curves of crown top settlement increment at section K0+902~+922 (in 2015)
Fig. 13 Time-history curves of crown top settlement increment at section K1+132~+141 (in 2015)
值得注意的是,當(dāng)拱頂沉降產(chǎn)生突變時(shí),從洞內(nèi)觀察到滲水情況比較嚴(yán)重,且積水增多。因此,淺埋暗挖隧道施工過(guò)程中,當(dāng)洞內(nèi)積水增多時(shí),要加強(qiáng)隧道變形的監(jiān)測(cè),防止隧道失穩(wěn)坍塌。必要時(shí),需要在地表設(shè)置降水井,降低地下水位,減小圍巖和初期支護(hù)受到的壓力。在設(shè)置初期支護(hù)時(shí),應(yīng)適當(dāng)增加鎖腰錨桿、鎖腳錨桿的數(shù)量,減小鋼拱架之間的距離以增強(qiáng)初期支護(hù)的強(qiáng)度。
1)K0+985~K1+042段最終拱頂沉降值隨測(cè)點(diǎn)里程變化見(jiàn)圖14。由圖14可知: ①當(dāng)采用CRD工法在淤泥質(zhì)黏土層中開(kāi)挖時(shí),拱頂沉降為140~160 mm; ②當(dāng)掌子面下部逐漸出現(xiàn)含黏性土碎石層時(shí),拱頂沉降減小至110~120 mm; ③當(dāng)隧道掌子面上部逐漸由淤泥質(zhì)黏土層變?yōu)楹ば运槭瘜?,下部逐漸由含黏性碎石變?yōu)閺?qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖時(shí),沉降進(jìn)一步減小至70~80 mm; ④當(dāng)掌子面上部淤泥質(zhì)黏土基本消失,斷面以強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為主時(shí),沉降減小至20~30 mm。CRD工法在淤泥質(zhì)黏土層中開(kāi)挖所引起的拱頂沉降平均值,約為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中的6.5倍。
由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,隧道開(kāi)挖過(guò)程中,土體強(qiáng)度對(duì)拱頂沉降的影響很大。即使土質(zhì)條件變好,也要適當(dāng)調(diào)整超前加固方法、開(kāi)挖工法以及支護(hù)手段,在保證安全的情況下,使工程進(jìn)度得到加快。
圖14 K0+985~K1+042段拱頂沉降最終值圖Fig. 14 Final crown top settlement at section K0+985~K1+042
2)K1+021~+087段最終拱頂沉降值隨測(cè)點(diǎn)里程變化見(jiàn)圖15。由圖15可知: ①施工工法改為四臺(tái)階法后,拱頂沉降增大至130~180 mm; ②施工工法改為上臺(tái)階中隔壁法后,拱頂沉降又減小至100~120 mm。在強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中,CRD工法、四臺(tái)階法、上臺(tái)階中隔壁法引起拱頂沉降平均值大小的比例約為1∶5.1∶3.59。
圖15 K1+021~+087段拱頂沉降最終值圖Fig. 15 Final crown top settlement at section K1+021~+087
由圖14和圖15示出的拱頂沉降量最終值可以看出: ①施工方法相同時(shí),不同土質(zhì)條件對(duì)拱頂沉降影響較大,在淤泥質(zhì)軟土中開(kāi)挖時(shí),采用CRD工法依舊產(chǎn)生了較大的拱頂沉降,當(dāng)掌子面完全穿過(guò)淤泥質(zhì)黏土層后,沉降明顯減??; ②工法改為四臺(tái)階法后,拱頂沉降突然增大,說(shuō)明CRD工法中的分塊開(kāi)挖、豎向支撐、臨時(shí)仰拱減小拱頂沉降的作用十分明顯; ③采用四臺(tái)階法優(yōu)化后的上臺(tái)階中隔壁法,也在一定程度上減小了拱頂沉降,但相對(duì)于CRD工法,沉降仍然偏大。因此,在軟巖中開(kāi)挖時(shí),如果對(duì)隧道變形控制要求較高,宜采用CRD工法開(kāi)挖。
綜上所述,在強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中開(kāi)挖,采用CRD工法開(kāi)挖產(chǎn)生的拱頂沉降較小,但工序復(fù)雜、掘進(jìn)速度慢; 四臺(tái)階法雖然工序簡(jiǎn)單,理論上掘進(jìn)速度快,但由于產(chǎn)生的沉降過(guò)大,一定程度上影響了掘進(jìn)的速度和安全性。綜合兩者的優(yōu)劣,上臺(tái)階中隔壁法一定程度上減少了施工的工序,加快了掘進(jìn)進(jìn)度,減小了拱頂沉降,加強(qiáng)了開(kāi)挖的安全性。
1) CRD工法在淤泥質(zhì)黏土中測(cè)得的拱頂沉降較大,并且隧道在收斂過(guò)程中產(chǎn)生了橢圓化變形; 二次襯砌完成后,隧道產(chǎn)生了整體沉降變形,建議隧道進(jìn)行高壓旋噴樁超前加固時(shí),應(yīng)加固至隧道基底下方; 初期支護(hù)拆撐也會(huì)產(chǎn)生較大沉降,且沉降持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),因此有必要對(duì)拆撐段進(jìn)行監(jiān)測(cè); 二次襯砌的施作時(shí)間也要結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)合理進(jìn)行。
2) 降雨會(huì)使上部土體超載,且雨水滲透、浸泡開(kāi)挖面土層會(huì)使土層強(qiáng)度降低,從而導(dǎo)致初期支護(hù)變形加大,拱頂沉降產(chǎn)生突變。洞內(nèi)滲水積水增加時(shí),要加強(qiáng)隧道變形監(jiān)測(cè),在設(shè)置初期支護(hù)時(shí),應(yīng)適當(dāng)增加鎖腰錨桿、鎖腳錨桿的數(shù)量,減小鋼拱架之間的距離,以增強(qiáng)初期支護(hù)的強(qiáng)度,做到“強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”。
3) 采用CRD工法在淤泥質(zhì)黏土中引起的拱頂沉降平均值為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中的6.5倍; CRD工法在淤泥質(zhì)黏土中開(kāi)挖與四臺(tái)階法在強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中開(kāi)挖所引起的拱頂沉降都較大; 在強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中,CRD工法、四臺(tái)階法、上臺(tái)階中隔壁法引起拱頂沉降平均值的比例為1∶5.1∶3.59。如果對(duì)隧道變形控制要求較高,宜采用CRD工法開(kāi)挖。
4) 在強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中采用的工法仍有改進(jìn)的空間,拱頂沉降的數(shù)據(jù)采用理論公式較難準(zhǔn)確地?cái)M合。在接下來(lái)的研究中,建議采用有限元模擬,結(jié)合本工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及與本工況較接近工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),提出合理的參數(shù),進(jìn)行拱頂沉降的預(yù)測(cè),對(duì)隧道整體沉降產(chǎn)生的原因和后果以及對(duì)地表沉降的影響作進(jìn)一步分析。