石艷軍，白文博，周浩一，吳旭陽(yáng)，賀瑞霞，張子誠(chéng)

(1．中國(guó)葛洲壩集團(tuán)市政工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

隧道圍巖穩(wěn)定性指隧道工程施工時(shí)洞室周?chē)鷰r體的穩(wěn)定程度，與巖體的巖性、風(fēng)化程度、地質(zhì)構(gòu)造、地下水活動(dòng)、地應(yīng)力作用、洞室內(nèi)有無(wú)內(nèi)水壓力、洞室跨度大小、斷面形狀以及施工方法等因素有關(guān)[1]，并且是反映隧道周?chē)刭|(zhì)環(huán)境的重要綜合性指標(biāo)[2]。目前關(guān)于人防空洞區(qū)隧道穩(wěn)定性的理論研究較少，一般多參考煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性研究[3-4],主要采用理論分析、模型試驗(yàn)分析、數(shù)值分析等方法對(duì)人防空洞隧道穩(wěn)定性進(jìn)行研究。對(duì)于實(shí)際工程中非圓形隧道在復(fù)雜地層中的受力分析，由于理論分析和模型試驗(yàn)分析受實(shí)際情況的影響較大，無(wú)法精準(zhǔn)得到理論數(shù)據(jù)，故利用數(shù)值分析能很好地解決“參數(shù)難以確定”和“預(yù)測(cè)突發(fā)情況”等瓶頸問(wèn)題[5]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)人防空洞區(qū)段隧道進(jìn)行了分類(lèi)[6]，并對(duì)隧道人防空洞區(qū)段的處治原則進(jìn)行總結(jié)[7]，還提出了相應(yīng)的治理措施和支護(hù)參數(shù)[8]，為人防空洞區(qū)段隧道設(shè)計(jì)和空洞區(qū)治理提供參考和指導(dǎo)。例如，時(shí)均偉[9]結(jié)合工程實(shí)際對(duì)采空區(qū)在隧道下方、采空區(qū)通過(guò)隧道、采空區(qū)在隧道上方3種工況進(jìn)行分析，著重研究地表沉降變形、采空區(qū)存在對(duì)襯砌變形的影響，采空區(qū)存在對(duì)襯砌等效應(yīng)力的影響。黃永鵬[10]依托華鎣山隧道通過(guò)有限差分軟件研究了不同形態(tài)的下伏采空區(qū)對(duì)新建隧道施工安全穩(wěn)定性的影響，得出下伏采空區(qū)段隧道結(jié)構(gòu)變形及受力規(guī)律，并針對(duì)不同形態(tài)采空區(qū)段隧道施工控制技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，比選了下伏采空區(qū)段注漿法和充填法兩種處治措施的改善效果。但國(guó)內(nèi)研究主要以實(shí)際的工程項(xiàng)目為主，研究成果多為具體施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比工況多為工程措施，在隧道結(jié)構(gòu)與人防空洞之間的相互作用的理論解析方面尚未形成成熟的研究體系。

1 工程概況

西安十四號(hào)線為雙線隧道，賀韶村站區(qū)間淺埋暗挖段由港務(wù)大道站左線明挖段東端頭出發(fā)向東延伸，直至到達(dá)賀韶村站，區(qū)間線路均沿規(guī)劃向東在路面下敷設(shè)。區(qū)間主體沿東西向布置，現(xiàn)狀為農(nóng)田和白陳村民房(施工前拆遷完成)，場(chǎng)地開(kāi)闊，施工條件好。建址北側(cè)存在一魚(yú)塘與澇池，魚(yú)塘與隧道之間凈距≥40 m，對(duì)本工程影響微小，澇池與隧道凈距≥20 m，對(duì)本工程有一定影響。建址東側(cè)存在一人防空洞，經(jīng)檢測(cè)在隧道主體段局部存在空洞，對(duì)本工程影響較大，對(duì)人防空洞區(qū)采用地面袖閥管注漿加固處理，加固范圍及袖閥管尺寸標(biāo)準(zhǔn)如圖1(a)和圖1(b)所示。隧道自本區(qū)間明挖段終點(diǎn)出發(fā)，先以8.95%上坡，然后以2.00%下行到達(dá)賀韶村站截止。本段區(qū)間隧道最大埋深約11.2 m，最小埋深約9.6 m。隧道平面結(jié)構(gòu)及地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1(c)和圖1(d)所示。本工程中正線隧道的設(shè)計(jì)使用年限為100 a，結(jié)構(gòu)按8度抗震設(shè)防烈度進(jìn)行抗震驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)重要性類(lèi)別為乙類(lèi)，抗震等級(jí)為二級(jí)。另外，因防空洞主要位于左線隧道上方，對(duì)左線隧道影響較大，故主要探究人防空洞對(duì)左側(cè)隧道的影響。

(a)袖閥管加固范圍 (b)袖閥管尺寸

(c)空洞區(qū)位置 (d)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置圖1 空洞區(qū)地理位置及袖閥管注漿

2 模型建立

2.1 參數(shù)選取

以賀韶村站實(shí)際地形環(huán)境與地質(zhì)狀況為依托建立有限元模型進(jìn)行分析，整體模型四周施加水平約束，底部施加豎直向上約束，頂部為自由邊界。巖土層從上至下分別由雜填土(L1，厚度2 m)、黃土狀土(L2，厚度11 m)、卵石砂層(L3，厚度3 m)、黏土層(L4，厚度9 m)、中砂(L5，厚度7 m)以及粉質(zhì)黏土(L6，厚度13 m)構(gòu)成，其中人防空洞位于黃土狀土層中，在此記為L(zhǎng)5，厚度2 m。隧道上方建立殼體結(jié)構(gòu)模擬超前小導(dǎo)管注漿網(wǎng)格和棚管支護(hù)的網(wǎng)格，建立不規(guī)則方體基礎(chǔ)單元模擬袖閥管注漿的網(wǎng)格。人防空洞分為未注漿部分(Q1)和注漿部分(Q2)分別建立網(wǎng)格，其中隧道襯砌采用板單元，可監(jiān)測(cè)軸力、彎矩、剪力及變形。巖土體的本構(gòu)模型是采用修正摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型，施加的荷載主要為重力，取9.80 N/kg，初始應(yīng)力場(chǎng)采用圍巖自重，土層及注漿材料計(jì)算參數(shù)均以實(shí)測(cè)資料為準(zhǔn)，如表1所示，未標(biāo)明的材料參數(shù)均參照相關(guān)規(guī)范取值。

表1 地層及支護(hù)材料力學(xué)指標(biāo)

實(shí)際模型計(jì)算范圍：x方向60 m，y方向160 m，z方向45 m。模型共采用94 703個(gè)節(jié)點(diǎn)、205 460個(gè)單元、284 109個(gè)網(wǎng)格以及277 351個(gè)反應(yīng)式。隧道開(kāi)挖模型及細(xì)部圖見(jiàn)圖2。

(a)隧道整體模型 (b)模型地層

(c)隧道注漿加固區(qū)段細(xì)部圖(單位：m) (d)隧道斷面圖(單位：m)

2.2 施工工法及加固措施

該隧道開(kāi)挖采用環(huán)形臺(tái)階開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工，是用圓弧和支架引導(dǎo)上部，然后從下部?jī)蓚?cè)開(kāi)挖，再?gòu)闹胁亢诵耐谕恋囊环N方法。隧道施工時(shí)，環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺為1.25 m，預(yù)留土核心區(qū)應(yīng)滿(mǎn)足開(kāi)挖面穩(wěn)定要求，且不小于開(kāi)挖面積的50%。開(kāi)挖完成后及時(shí)施作噴、錨支護(hù)，安裝鋼支撐，每?jī)砷摷苤g應(yīng)采用鋼筋連接，并加鎖腳錨桿。上部弧形、左右側(cè)墻部、中部核心土開(kāi)挖各錯(cuò)開(kāi)4 m平行作業(yè)，仰拱施工緊跟下臺(tái)階，全斷面初期支護(hù)完成距離拱部開(kāi)挖面不超過(guò)30 m。環(huán)形臺(tái)階開(kāi)挖預(yù)留核心土現(xiàn)場(chǎng)施工如圖3所示。

圖3 環(huán)形臺(tái)階開(kāi)挖預(yù)留核心土法現(xiàn)場(chǎng)施工

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

3.1 地表沉降監(jiān)測(cè)

隧道地面沉降采用水平儀、水準(zhǔn)儀、鋼尺或測(cè)桿等工具測(cè)量，沉降監(jiān)測(cè)斷面以隧道中心線為基準(zhǔn)左右各布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)13個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為10 m，地表下沉量測(cè)在開(kāi)挖面前方2～3倍毛洞寬度處開(kāi)始進(jìn)行，直到開(kāi)挖面后方3～5倍毛洞寬度，地表下沉基本停止處為止，主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為DB10-1～DB10-13。

3.2 圍巖壓力及鋼筋軸力監(jiān)測(cè)

土壓力盒及鋼筋計(jì)埋設(shè)位置在賀韶村暗挖段隧道距離進(jìn)口80 m處，土壓力盒和鋼筋計(jì)現(xiàn)場(chǎng)布置埋設(shè)如圖4所示。監(jiān)測(cè)位置分別在：拱頂、左拱肩、右拱肩、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳、拱底。監(jiān)測(cè)頻率：開(kāi)始第一周每天測(cè)兩次，之后每天測(cè)一次，兩個(gè)月后每周一次，三個(gè)月后每月一次。

(a)土壓力盒安裝 (b)鋼筋計(jì)安裝圖4 監(jiān)測(cè)元件安裝

4 數(shù)值模擬結(jié)果

4.1 地表變形

以DB10-7監(jiān)測(cè)點(diǎn)為參考，不同工況下地表沉降結(jié)果如圖5所示，無(wú)加固措施情況下地表沉降高達(dá)27.7 mm，超前小導(dǎo)管注漿加固后地表沉降減小了3.1 mm，超前小導(dǎo)管注漿+棚管支護(hù)措施相較無(wú)防護(hù)情況下的地表沉降量減小3.9 mm，總體而言，這兩種加固措施在減小地表沉降方面效果不太顯著，地表沉降降幅不超過(guò)14.5%，其原因主要是超前小導(dǎo)管支護(hù)和超前小導(dǎo)管注漿+棚管支護(hù)措施都是通過(guò)加固隧道拱頂上方黃土狀土，直接增大了拱頂剛度，減小了隧道兩側(cè)圍巖的擠壓作用，造成拱頂隆起量降低，而地表沉降主要由隧道頂部空洞區(qū)引起。袖閥管注漿加固工況的地面沉降量最大為12.3 mm，較基礎(chǔ)工況其沉降量降幅為46.72%，說(shuō)明袖閥管注漿填充了隧道頂部空洞區(qū)，極大限度地限制了地面沉降，袖閥管注漿范圍人防空洞段及隧道周邊3 m內(nèi)，相當(dāng)于直接改變了其周?chē)馏w的屬性，從根本上降低了地表沉降。全注漿加固工況的地面沉降量為10.1 mm，相較于袖閥管注漿措施沉降量?jī)H僅降低了2.2 mm，從經(jīng)濟(jì)效益及施工難度上而言，降低地表沉降的關(guān)鍵措施是袖閥管注漿。

圖5 地面沉降收斂曲線

4.2 拱頂變形

空洞底部沉降隨隧道施工變化曲線如圖6所示。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析，人防空洞底部沉降趨勢(shì)與地面沉降趨勢(shì)大致相同。隨著初期支護(hù)的施作，拱頂沉降量逐漸增加最后趨于穩(wěn)定。未采取加固措施的工況拱頂沉降量最大接近55 mm，采取超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)能起到減小拱頂沉降的作用(沉降量為48.6 mm)，采用超前小導(dǎo)管注漿與棚管支護(hù)聯(lián)合形式可將拱頂沉降量控制在45 mm，當(dāng)采用袖閥管注漿時(shí)，拱頂沉降在28 mm左右，相較于無(wú)防護(hù)時(shí)降幅達(dá)50%，加固效果顯著，當(dāng)采用全注漿時(shí)，拱頂沉降僅比袖閥管注漿減小了1.6 mm，由此可見(jiàn)，袖閥管注漿是降低拱頂沉降的最有效措施。

圖6 空洞下方拱頂收斂曲線

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

5.1 地表沉降

地表豎向位移的實(shí)際監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，在地表發(fā)生沉降位移的初期階段，地表的沉降量較小并且變化的速度較小。對(duì)比地表沉降實(shí)際監(jiān)測(cè)值和數(shù)值模擬結(jié)果顯示，數(shù)值模擬基礎(chǔ)工況地表沉降量范圍包括實(shí)際監(jiān)測(cè)地表沉降量范圍，表明在基礎(chǔ)工況上進(jìn)行注漿加固可以保障隧道施工安全性。隨著隧道開(kāi)挖施工，土層受到較大擾動(dòng)，沉降量急劇增大。在施工后期地表沉降量衰減到一定程度就變?yōu)橐环N穩(wěn)定變化的時(shí)期，沉降量只有小范圍的增加，沉降量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)期。

圖7 地表豎向位移對(duì)比分析圖

5.2 圍巖壓力

隨著時(shí)間推移，圍巖壓力注漿趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后圍巖壓力分布如圖8所示。從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，在全注漿工況下圍巖壓力分布均勻，且壓力值相對(duì)較小，能滿(mǎn)足地鐵區(qū)間隧道施工穩(wěn)定性要求。另外，從調(diào)取無(wú)防護(hù)條件下的隧道圍巖壓力計(jì)算值與袖閥管注漿計(jì)算結(jié)果和實(shí)際全注漿實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析可看出，袖閥管注漿加固計(jì)算結(jié)果與全注漿實(shí)測(cè)結(jié)果接近，說(shuō)明袖閥管注漿加固措施能有效提高圍巖抗力，充分發(fā)揮圍巖的自承載能力。

圖8 初支最大圍巖壓力變化分布圖(單位:kPa)

5.3 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示(圖9)，拱頂和拱底處鋼筋軸力最后穩(wěn)定在9～11 kN，左右側(cè)拱腰、拱肩及拱腳處鋼筋軸力最后穩(wěn)定在13～25 kN。整個(gè)襯砌結(jié)構(gòu)都是受壓狀態(tài)，其中左拱腰和右拱腳所受壓力較大，主要是該處圍巖擾動(dòng)較大，因此需要進(jìn)行加固處理。數(shù)值計(jì)算過(guò)程中襯砌單元以板單元進(jìn)行模擬，將板單元的軸力近似為鋼筋軸力進(jìn)行分析，從計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析可看出，袖閥管注漿條件下計(jì)算結(jié)果與全注漿條件下的實(shí)測(cè)結(jié)果接近，由此說(shuō)明，袖閥管注漿可以增大左右兩側(cè)的土層強(qiáng)度，從而減小襯砌鋼筋軸力，也保證了襯砌內(nèi)隧道空間的安全。

圖9 隧道襯砌最大鋼筋軸力分布圖 (單位：kN)

6 結(jié)論

通過(guò)建立人防空洞區(qū)段下隧道在不同工況中的三維數(shù)值分析模型，在隧道采用環(huán)形臺(tái)階開(kāi)挖預(yù)留核心土法開(kāi)挖時(shí)，針對(duì)隧道圍巖收斂變形、初支主應(yīng)力和內(nèi)力分布進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)超前小導(dǎo)管注漿和棚管支護(hù)兩種加固措施能夠減少隧道圍巖變形與地表沉降，但效果不太顯著，而且會(huì)造成隧道拱腰處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象；袖閥管注漿加固可以最有效保護(hù)隧道拱腳以上部分不受空洞下的圍巖變形影響；

(2)袖閥管注漿加固對(duì)隧道圍巖擾動(dòng)最小，可以最大限度保障隧道施工人員安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；

(3)在進(jìn)行臺(tái)階法施工時(shí)，需要及時(shí)施做仰拱，進(jìn)行袖閥管注漿固結(jié)，從而有效控制地表沉降，使得地表沉降量達(dá)到穩(wěn)定。