高世强 王欢
中交路桥华南工程有限公司 长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室
摘 要：地层变形的发展变化受到地下空间开挖的限制。文章结合某浅埋黄土隧道工程，做好对现场沉降变形的监测工作，整理所得结果并展开分析，判断沉降变形现象并预测其发展。所得结果表明，坡顶之所以会出现拉裂缝现象，是因为两侧坡体存在回弹运动。通过实际观察实践，检测到的数据与数值模拟的数据基本一致，说明这一施工方案是可行的。
关键词：浅埋黄土隧道;沉降变形;数据监测;
地表沉降一直是浅埋隧道开挖过程中较为关注的问题。隧道开挖导致周围土体扰动和破坏，地层将产生不同程度的地层变形。浅埋隧道由于距离地表较近，因此地层变形会波及到地表。对于浅埋隧道而言，隧道开挖过程中，过大的地层变形可能会使隧道坍塌，甚至导致地表产生坍塌，从而阻碍施工的顺利进行。针对这种情况，如果施工人员处理方式不恰当，处理不彻底，就会造成建成后正常运营过程中出现安全隐患。因此，对浅埋隧道施工地层变形展开密切的监测尤为重要。对于浅埋隧道在施工过程中的地表变形规律，有必要通过监测结果对变形规律进行总结。目前有学者对其进行了一定研究，岳向红针对浅埋暗挖公路隧道的特点，对厦门高崎互通下穿嘉禾路隧道进行了一系列监测工作。基于监测结果，指出了松软地层中浅埋暗挖隧道开挖影响的时空范围和隧道施工中有效控制围岩变形的措施。时亚昕运用随机介质法理论，利用研究开发出的隧道施工引起的地表移动及变形预测系统，预测了大断面分部开挖引起的地表移动及变形。岳广学以70余座浅埋暗挖法修建的隧道的实测数据为基础，对影响地层变形的各种因素进行统计分析，提出了浅埋暗挖隧道的最大沉降量计算公式。但是在冲沟段这样工程地质条件复杂的地段，理论研究与工程实际的需要是极不相符的，因此对此条件下隧道施工中引起的地层变形特征还有待深入研究。
1 工程概况
文章主要以预设行驶速度为100km/h的分离式双洞单向行驶隧道为研究对象。隧道的横截面是净宽为12.5m、净高为8.44m的三心圆，将公路I级应用到洞内路面设计荷载。隧道施工采用暗挖法，以现场勘察结果为参考，经分析后确定施工范围内的围岩类型。在隧道中某一路段的地表有一沟深28.2m、底宽11.8m的冲沟，坡度大概为50°，冲沟的沟底与隧道拱顶相距15.8m。由此看来，需使用环形预留核心土法完成本隧道施工。
2 环形开挖预留核心土法分析
2.1 优劣势
核心土法的主要工艺为先开挖上部导坑成环，再采取初期支护措施，在安全的环境下完成剩余部分的开挖作业。开挖所得断面包含环形拱部、上部核心土和下部台阶三部分。通常，开挖进尺以0.5～1m为宜，台阶长度不超过隧道跨度。
优点:开挖期间视实际情况合理预留核心土，该部分可发挥出支撑作用，有助于维持开挖面的稳定性;完成上部导坑开挖后随即采集初期支护措施，可有效确保核心土和下部台阶两部分的稳定性;台阶长度增加时，施工扰动性更小;单次爆破施工用量较小，周边房屋可维持稳定状态。
缺点:下半部围岩必须具有足够的强度，否则难以顺利完成施工作业;全断面封闭不及时，易发生围岩变形现象。
2.2 施工工序
(1)设置拱部超前支护结构，于该处通过注浆的方式有效加固;
(2)通过挖机为主、人工为辅的方式开挖拱部土体，考虑隧道掌子面土层的稳定性情况，以此为参考预留适量的核心土;
(3)施作拱部初期支护，喷射混凝土→设置结构锚杆→锁脚锚杆→挂钢筋网→复喷;
(4)结束上部支护作业后，适量开挖核心土，以实际情况为准增设临时仰拱，确保上拱初期支护具有足够的稳定性;
(5)开挖下部马口(分层错位的施工方法)，采取边墙初期支护措施，主要包含支撑钢架、锁脚锚杆、钢筋网等，对于隧道围岩稳定性明显不足的情况，宜在拱腰处增设水平支撑梁;
(6)持续开挖台阶至基底处，设置仰拱型钢钢架，通过此方式达到初期支护结构成环的效果;
(7)施作仰拱并填充，通过无钉铺设的方式设置防水板，避免其发生渗漏现象，完成衬砌钢筋的绑扎作业后再及时施工二次衬砌。
3 现场监测及分析
对冲沟段地表和洞内支护变形使用位移监测，这样就能在某一确定时刻在隧道内通过冲沟地层及支护变形的程度进行实时监测，确保隧道安全从冲沟穿越过去。在开挖掌子面之前，要将地表监测点布置到位，选取断面里程为:K182+238、250、262、268、274、286、298，如图1所示。测点布置方式为:冲沟水平的变形程度以及坡体的沉降程度通过B1～B6号测点来完成;断面的拱顶沉降以及周边收敛监测点分别通过ZK1～ZK7号测点、ZB1～ZB14号测点来完成。各测点布设情况如图1和图2所示。
图1 坡体测点布置剖面示意图 下载原图
图2 洞内监测点布置示意图 下载原图
3.1 冲沟坡面水平变形分析
通过对B1～B6号测点反馈出来的数据来分析水平变形，各测点位移时程曲线如图3所示。假如位移的移动方向和隧道的挖掘方向一致为5正方向，相反是负方向。假定位移方向与隧道掘进方向相同为正，反之为负。
其中，图3(a)为顺坡变形曲线(边坡倾向与隧道掘进方向相同，反之为逆坡)，(b)为逆坡变形曲线。图中曲线表明，掌子面向前推进，土体会呈现出向洞内临空面不断移动的形势，水平位移一直呈现增大的趋势，掌子面的推进程度最大限度地接近各个监测点时，位移的数值达到最大，随后，坡体位移改变方向，位移数值也在不断减小，趋近于某一个数值，最后呈现收敛的态势。土体的位移方向之所以会呈现相反的趋势，主要是因为地层原来的平衡状态已经被破坏，由于存在重力，不断向临空面发生膨胀甚至变形。隧道挖掘到任何一个断面的时候，土体的位移方向就会发生变化。
图3 各坡面监测点水平位移曲线 下载原图
3.2 地表沉降分析
图4为B1～B6号测点随隧道开挖过程沉降时程曲线，可以看出，在同一高程的两侧坡面的测点的沉降过程位移曲线的变化存在很大的差别，对于顺坡坡面的沉降速率相对于逆坡坡面的沉降速率要快，尤其是在掌子面超过监测断面后，折旧表明土体向隧道内临空面的移动趋势要大一些。地层向边坡临空面的变形要比向洞内的变形小，这一现象对于坡体的稳定很有利，平行于坡面走向的拉裂缝会随着土体的回弹运动形成，这样一来，只要有降水，雨水就会随着缝隙进入隧道，对于地质是以黄土为主的地区，这种现象很容易造成滑坡，施工人员在工作过程中要加大观察地表的频率，只要发现有裂缝出现，专业的填补人员应及时处理。
图4 各里程坡面测点沉降曲线 下载原图
由于对掌子面的挖掘会造成拱顶的压力在短时间内增大，并且隧道的初期支护是柔性支护，会对围岩产生让压变形的后果，故而在开始挖掘断面并且在设置监测点之后，在距离掌子面14m的范围内拱顶累计沉降值会随着掌子面的不断推进而变大，但是这种变形在距离掌子面差不多34m处会呈现稳定的趋势。
3.3 初支变形分析
断面收敛曲线如图5所示，与拱顶下沉曲线相比较，可以看出收敛曲线有两个地方发生了突变，这两个突变位置分别是掌子面挖掘10m和20m处。从这一现象可知，对边墙和仰拱的挖掘会在极大程度上影响断面的收敛，所以在具体实践过程中，应该将边墙和仰拱的挖掘时间缩短，并且将支护措施应用得当，防止断面过大而产生变形。但是这一现象在与掌子面差不多相差34m以后开始收敛变得稳定，与拱顶下沉的时间基本处在一个时间，这表明在距离掌子面>34m的位置可以进行二次衬砌，设计中显示二次衬砌与施工距离保持在55m，与设计方案基本符合。
图5 各监测断面初支收敛时程曲线 下载原图
4 隧道施工过程变形预测
4.1 计算模型及参数
利用专业的隧道模拟软件来对隧道的开挖进行三维状态下的模拟。模型计算范围:理论上，左、右和下边界距隧道开挖中心为40m，但是由于地表的地质不同，专业人员可以对这些数据进行简单的化简处理，隧道纵向长150m，冲沟处理深18m。模型的选择是位移边界条件:四周水平位移固定(ux=0,uy=0)，底部固定(ux=0,uy=0,uz=0)，地表为不受任何限制的自由边界。三维计算模型示意图如图6所示。
图6 计算模型 下载原图
数值计算区域为V级围岩，计算时假设围岩为均质的连续介质，围岩采用理想弹塑性模型，并服从摩尔-库仑屈服准则。
4.2 计算结果与分析
掌子面开挖至冲沟4个典型里程断面处坡体水平位移(隧道轴线方向)分布云图及位移方向矢量图可看出，随着隧道施工的进行，坡体位移矢量方向的水平分量也产生了变化，这表明土体沿着不同的方向发生了变形，同时坡体位移大小的变化也印证了这一点，从而可以说明，坡体的运动方向是两个方向的，即往返运动，也就是有一部分土体发生了回弹，正好与现场的检测结果相吻合。
将各个断面监测点的水平位移量的实践值与理论值作比较发现，他们的拟合效果处于优良状态，同时符合地层的变形规律。从监测点显示的数据可以得出，洞内的沉降监测值要比理论计算值小，造成这一现象主要是由于现场地形变化多端，施工条件比较苛刻，另外就是支护和监测点的布置时间不及时，或者在监测之前就发生了沉降现象。
5 结语
综上所述，对地下空间的挖掘必然会使地层发生变形，这一问题就成为了本文研究的重点及难点，文章通过对某浅埋黄土隧道工程的分析，总结出以下几点:
(1)坡体产生拉裂缝会造成两侧坡体发生回弹运动。
(2)坡体的临空效应小于地层向洞内临空面变形，这一现象有利于坡体的稳定。
(3)实际观测值与设计理论值存在的误差不大。
参考文献
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