上软下硬地层隧道变形规律及预留变形量研究

田国锋、黄引、余龙光、杨强、付抗

（中建铁路投资建设集团有限公司，北京 100053）

1 预留变形量组成

隧道开挖后围岩的总变形量

μ

，包括掌子面未到达监测断面前，断面发生的变形（超前变形，也称先行位移）

μ

，掌子面通过监测断面后量测工作开始前的变形（初始变形）

μ

和量测工作开始后的变形（量测变形）

μ

。全变形为隧道在有支护条件下的最大变形量，如图1 所示。

图1 预留变形量组成

通常情况下，二次衬砌在隧道使用过程中起安全储备作用，基本不受围岩压力影响，因此预留变形量可表示如公式（1）：

式（1）中：

μ

为初始变形量；

μ

为量测变形。

2 变形规律及预留变形量研究

2.1 工程概况

区间隧道为单洞单线马蹄形浅埋小跨隧道，隧道拱顶距道路路面约16.6～25.6m，右线长743.042m，左线长738.428m，左右线隧道中心线间距为16.6m。隧道结构共有A1 型、A2 型、B 型、C 型、D 型五种断面形式，其中C 型断面宽7.5m，高7.2m，断面左线长度为414.58m、右线长度为534.15m，C 型断面区间总长为948.73m。C 型断面范围内的隧道拱顶覆岩较薄，局部范围拱顶区域位于回填土层中，围岩基本分级为Ⅴ级，围岩设计等级为Ⅵ级，成洞条件极差，隧道无支护时，易发生拱顶坍塌甚至冒顶，路基沉降控制难度极大，岩土物理力学参数如表2 所示。

表2 岩土物理力学参数

岩土类型回填土拱顶覆岩弹性模量/MPa 200泊松比摩擦角/°0.45容重（kN/m3）21黏聚力/kPa 20 29.5 27 1500 0.32 25.6 200

由于区间上软下硬地层主要集中在C 型断面内，因此主要围绕C 型断面研究变形规律及预留变形量，研究选取“岩层+拱顶原状土+上覆回填土”“全断面岩层+拱顶薄赋岩+上覆回填土”两种工况展开。

2.2 数值模拟

运用FLAC3D 软件模拟“岩层+拱顶原状土+上覆回填土”“全断面岩层+拱顶薄赋岩+上覆回填土”两种工况下预埋衬砌隧道开挖过程，分析进洞5m、16m、25m 处（即入口、中部、出口三个断面）的拱顶沉降对开挖步变化的响应。

2.2.1 “岩层+拱顶原状土+上覆回填土”工况

图2 展示了“岩层+拱顶原状土+上覆回填土”工况下不同断面位置的拱顶沉降量及变化速率随开挖步变化的规律。根据图2 可以发现，当隧道开挖掌子面（开挖长度）位于选测断面位置时，拱顶沉降量突变，并在掌子面超过断面一定范围内继续变形，后收敛。具体表现为：进洞5m 处（入口断面）拱顶测点在掌子面位于入口断面附近时变化速率最大，之后沉降变化速率迅速减缓，至掌子面位于入口断面前方15m处收敛；进洞16m 处（中部断面）拱顶沉降在掌子面开挖至12m（即掌子面位于中部断面后方4m）时开始出现较明显变化，直至掌子面位于中部断面16m 处完全收敛；进洞25m 处（出口断面）拱顶沉降与中部断面沉降变化基本一致，当掌子面位于监测断面前后方4m范围时变化最明显。

图2 “岩层+拱顶原状土+上覆回填土”工况下不同断面位置的拱顶沉降量

2.2.2 “全断面岩层+拱顶薄赋岩+上覆回填土”工况

图3 展示了“全断面岩层+拱顶薄赋岩+上覆回填土”工况下不同断面位置的拱顶沉降量及变化速率随掌子面变化的规律，其变化规律与“岩层+拱顶原状土+上覆回填土”工况下基本相似。两者都表现为：当掌子面位于监测断面后方4m 至前方16m 范围时，监测断面拱顶沉降有较大变化。但不难发现，“岩层+拱顶原状土+上覆回填土”工况下不同监测断面的沉降值均大于相同条件下“全断面岩层+拱顶薄赋岩+上覆回填土”工况下的沉降值，两种工况下入口断面处13.7mm 和9.01mm 的最大（收敛）沉降量云图（见图4）也说明了这个问题。

图3 “全断面岩层+拱顶薄赋岩+上覆回填土”工况下不同断面位置的拱顶沉降量

图4 两种工况下入口断面处最大（收敛）沉降量云图

2.3 室内模型试验

结合工程实际及数值模拟分析结果发现，相较于“全断面岩层+拱顶薄赋岩+上覆回填土”工况，“岩层+拱顶原状土+上覆回填土”工况更为不利，为节约试验成本，仅对“岩层+拱顶原状土+上覆回填土”工况进行室内模型试验。室内模型试验的目的主要在于探究隧道开挖时的变形规律，通过相似材料配比试验确定各试验材料参数，根据1∶25 的几何相似关系，确定隧道模型毛洞内径为0.3m，边界情况为2.50m×1.25m×2.15m（长×宽×高），然后进行相似材料的浇筑以及安装应变片、土压力盒、单点位移计等仪器设备，仪器设备安装在入口、中部和出口断面处（与2.2节数值模拟相对应），并进行数据采集设备的连接及调试。现场实际施工中采用两台阶预留核心土开挖方式，开挖进尺为0.5m，根据相似比理论，模型试验的开挖进尺仅为2cm，难以操作，因此结合试验现场情况，将开挖方式简化为两台阶开挖（见图5）。

图5 开挖纵断面图

图6 展示了开挖过程中入口、中部两个断面（出口断面拱顶应变片失效，未监测到数据）拱顶沉降值随开挖步的变化。从入口断面拱顶沉降变化曲线可以发现，随着开挖试验的进行，入口断面首先出现拱顶沉降，并在下台阶1 开挖完成时（即刚开挖通过入口断面）出现一次突变值，该值约占整体变形的40%～50%，与实际施工中隧道的变形规律一致。在上台阶2 到下台阶3 的开挖过程中，入口断面拱顶沉降持续减小，而下台阶3 至下台阶5 范围内入口断面拱顶沉降变化不大，当隧道开挖进行到下台阶3 时（即掌子面距入口断面62.4cm），根据相似比理论，说明前方开挖对已开挖隧道断面拱顶沉降的影响范围约为16m。

图6 不同开挖步时拱顶沉降值

通过中部断面拱顶沉降变化曲线可以发现，开挖试验刚进行时，中部断面拱顶沉降变形很小，在上台阶2 至下台阶5 的开挖过程中（下台阶5 距中部断面62.4cm），中部断面拱顶沉降持续减小，同样说明前方开挖16m 范围对已开挖隧道断面拱顶沉降有显著影响。但是由于此时模型隧道已完全贯通，无法判定后续开挖是否会对中部断面沉降有较大影响。

2.4 现场量测变形量分析

在现场量测中，左右线共计约948m，按照每10m布置一个量测点的原则，剔除失效和被遮挡的量测点，共计获得90 个有效拱顶沉降量测数据（见图7）。根据图中的量测数据可以发现，拱顶沉降值小于20mm 约占总体的88%，小于30mm 约占总体的97%，其中沉降数值大于20mm 的区域范围基本处于“岩层+拱顶原状土+上覆回填土”地层。同时，实际施工过程中，累计沉降值大部分集中在10～20mm，与数值模拟结果基本一致，但也存在部分异常值，最大值达到35mm，最小值仅3.42mm 左右，这是由于施工现场地质构造相对复杂，与数值模拟中的完全均值假定不同，某一小段围岩存在裂隙或渗水等不良条件，导致该段沉降远大于其他位置，符合一般规律。

图7 隧道拱顶沉降量保证率关系图

另外，在实际施工过程中，由于隧道洞身开挖完成后，要先进行初期支护，再进行测点布设，此时掌子面量测工作尚未开始，但已发生初始变形。根据室内模型试验现象——随着模型开挖试验的开挖，选测断面出现一次突变值，占整体变形的40%～50%左右，可认为初始变形占整体变形的40%～50%，选取50% 进行分析，根据预留变形量表示公式，此时初始变形量与量测变形量一致。

因此，在保证高保证率以及高经济性的情况下，60mm 为“岩层+拱顶原状土+上覆回填土”工况下上软下硬地层预留变形量合理建议值，40mm 为“全断面岩层+拱顶薄赋岩+上覆回填土”工况下上软下硬地层预留变形量合理建议值。40～60mm 为预留变形量的合理取值区间。

3 结论

通过数值模拟、室内模型试验及统计分析等方法，分析上软下硬地层浅埋地铁隧道变形规律及预留变形量，得出以下结论：

第一，当掌子面位于监测断面后方4m 至前方16m范围时，监测断面拱顶沉降有较大变化。

第一，“岩层+拱顶原状土+上覆回填土”工况下，不同监测断面的沉降值均大于相同条件下“全断面岩层+拱顶薄赋岩+上覆回填土”工况下的沉降值。

第三，在保证高保证率以及高经济性的情况下，60mm 为“岩层+拱顶原状土+上覆回填土”工况下上软下硬地层预留变形量合理建议值，40mm 为“全断面岩层+拱顶薄赋岩+上覆回填土”工况下上软下硬地层预留变形量合理建议值。