石艳军，白文博，周浩一，吴旭阳，贺瑞霞，张子诚
(1．中国葛洲坝集团市政工程有限公司，湖北 宜昌 443002；
2.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467036)
隧道围岩稳定性指隧道工程施工时洞室周围岩体的稳定程度，与岩体的岩性、风化程度、地质构造、地下水活动、地应力作用、洞室内有无内水压力、洞室跨度大小、断面形状以及施工方法等因素有关[1]，并且是反映隧道周围地质环境的重要综合性指标[2]。目前关于人防空洞区隧道稳定性的理论研究较少，一般多参考煤矿采空区的稳定性研究[3-4],主要采用理论分析、模型试验分析、数值分析等方法对人防空洞隧道稳定性进行研究。对于实际工程中非圆形隧道在复杂地层中的受力分析，由于理论分析和模型试验分析受实际情况的影响较大，无法精准得到理论数据，故利用数值分析能很好地解决“参数难以确定”和“预测突发情况”等瓶颈问题[5]。国内学者对人防空洞区段隧道进行了分类[6]，并对隧道人防空洞区段的处治原则进行总结[7]，还提出了相应的治理措施和支护参数[8]，为人防空洞区段隧道设计和空洞区治理提供参考和指导。例如，时均伟[9]结合工程实际对采空区在隧道下方、采空区通过隧道、采空区在隧道上方3种工况进行分析，着重研究地表沉降变形、采空区存在对衬砌变形的影响，采空区存在对衬砌等效应力的影响。黄永鹏[10]依托华蓥山隧道通过有限差分软件研究了不同形态的下伏采空区对新建隧道施工安全稳定性的影响，得出下伏采空区段隧道结构变形及受力规律，并针对不同形态采空区段隧道施工控制技术进行了数值模拟研究，比选了下伏采空区段注浆法和充填法两种处治措施的改善效果。但国内研究主要以实际的工程项目为主，研究成果多为具体施工经验，对比工况多为工程措施，在隧道结构与人防空洞之间的相互作用的理论解析方面尚未形成成熟的研究体系。
西安十四号线为双线隧道，贺韶村站区间浅埋暗挖段由港务大道站左线明挖段东端头出发向东延伸，直至到达贺韶村站，区间线路均沿规划向东在路面下敷设。区间主体沿东西向布置，现状为农田和白陈村民房(施工前拆迁完成)，场地开阔，施工条件好。建址北侧存在一鱼塘与涝池，鱼塘与隧道之间净距≥40 m，对本工程影响微小，涝池与隧道净距≥20 m，对本工程有一定影响。建址东侧存在一人防空洞，经检测在隧道主体段局部存在空洞，对本工程影响较大，对人防空洞区采用地面袖阀管注浆加固处理，加固范围及袖阀管尺寸标准如图1(a)和图1(b)所示。隧道自本区间明挖段终点出发，先以8.95%上坡，然后以2.00%下行到达贺韶村站截止。本段区间隧道最大埋深约11.2 m，最小埋深约9.6 m。隧道平面结构及地表沉降监测点布置如图1(c)和图1(d)所示。本工程中正线隧道的设计使用年限为100 a，结构按8度抗震设防烈度进行抗震验算，结构重要性类别为乙类，抗震等级为二级。另外，因防空洞主要位于左线隧道上方，对左线隧道影响较大，故主要探究人防空洞对左侧隧道的影响。
(a)袖阀管加固范围 (b)袖阀管尺寸
(c)空洞区位置 (d)监测点位置图1 空洞区地理位置及袖阀管注浆
2.1 参数选取
以贺韶村站实际地形环境与地质状况为依托建立有限元模型进行分析，整体模型四周施加水平约束，底部施加竖直向上约束，顶部为自由边界。岩土层从上至下分别由杂填土(L1，厚度2 m)、黄土状土(L2，厚度11 m)、卵石砂层(L3，厚度3 m)、黏土层(L4，厚度9 m)、中砂(L5，厚度7 m)以及粉质黏土(L6，厚度13 m)构成，其中人防空洞位于黄土状土层中，在此记为L5，厚度2 m。隧道上方建立壳体结构模拟超前小导管注浆网格和棚管支护的网格，建立不规则方体基础单元模拟袖阀管注浆的网格。人防空洞分为未注浆部分(Q1)和注浆部分(Q2)分别建立网格，其中隧道衬砌采用板单元，可监测轴力、弯矩、剪力及变形。岩土体的本构模型是采用修正摩尔-库伦弹塑性本构模型，施加的荷载主要为重力，取9.80 N/kg，初始应力场采用围岩自重，土层及注浆材料计算参数均以实测资料为准，如表1所示，未标明的材料参数均参照相关规范取值。
表1 地层及支护材料力学指标
实际模型计算范围：x方向60 m，y方向160 m，z方向45 m。模型共采用94 703个节点、205 460个单元、284 109个网格以及277 351个反应式。隧道开挖模型及细部图见图2。
(a)隧道整体模型 (b)模型地层
(c)隧道注浆加固区段细部图(单位：m) (d)隧道断面图(单位：m)
2.2 施工工法及加固措施
该隧道开挖采用环形台阶开挖预留核心土法施工，是用圆弧和支架引导上部，然后从下部两侧开挖，再从中部核心挖土的一种方法。隧道施工时，环形开挖预留核心土每循环开挖进尺为1.25 m，预留土核心区应满足开挖面稳定要求，且不小于开挖面积的50%。开挖完成后及时施作喷、锚支护，安装钢支撑，每两榀钢架之间应采用钢筋连接，并加锁脚锚杆。上部弧形、左右侧墙部、中部核心土开挖各错开4 m平行作业，仰拱施工紧跟下台阶，全断面初期支护完成距离拱部开挖面不超过30 m。环形台阶开挖预留核心土现场施工如图3所示。
图3 环形台阶开挖预留核心土法现场施工
3.1 地表沉降监测
隧道地面沉降采用水平仪、水准仪、钢尺或测杆等工具测量，沉降监测断面以隧道中心线为基准左右各布设6个监测点，共计13个地表沉降监测点，监测点间距为10 m，地表下沉量测在开挖面前方2～3倍毛洞宽度处开始进行，直到开挖面后方3～5倍毛洞宽度，地表下沉基本停止处为止，主要监测点编号为DB10-1～DB10-13。
3.2 围岩压力及钢筋轴力监测
土压力盒及钢筋计埋设位置在贺韶村暗挖段隧道距离进口80 m处，土压力盒和钢筋计现场布置埋设如图4所示。监测位置分别在：拱顶、左拱肩、右拱肩、左拱腰、右拱腰、左拱脚、右拱脚、拱底。监测频率：开始第一周每天测两次，之后每天测一次，两个月后每周一次，三个月后每月一次。
(a)土压力盒安装 (b)钢筋计安装图4 监测元件安装
4.1 地表变形
以DB10-7监测点为参考，不同工况下地表沉降结果如图5所示，无加固措施情况下地表沉降高达27.7 mm，超前小导管注浆加固后地表沉降减小了3.1 mm，超前小导管注浆+棚管支护措施相较无防护情况下的地表沉降量减小3.9 mm，总体而言，这两种加固措施在减小地表沉降方面效果不太显著，地表沉降降幅不超过14.5%，其原因主要是超前小导管支护和超前小导管注浆+棚管支护措施都是通过加固隧道拱顶上方黄土状土，直接增大了拱顶刚度，减小了隧道两侧围岩的挤压作用，造成拱顶隆起量降低，而地表沉降主要由隧道顶部空洞区引起。袖阀管注浆加固工况的地面沉降量最大为12.3 mm，较基础工况其沉降量降幅为46.72%，说明袖阀管注浆填充了隧道顶部空洞区，极大限度地限制了地面沉降，袖阀管注浆范围人防空洞段及隧道周边3 m内，相当于直接改变了其周围土体的属性，从根本上降低了地表沉降。全注浆加固工况的地面沉降量为10.1 mm，相较于袖阀管注浆措施沉降量仅仅降低了2.2 mm，从经济效益及施工难度上而言，降低地表沉降的关键措施是袖阀管注浆。
图5 地面沉降收敛曲线
4.2 拱顶变形
空洞底部沉降随隧道施工变化曲线如图6所示。根据数值模拟结果分析，人防空洞底部沉降趋势与地面沉降趋势大致相同。随着初期支护的施作，拱顶沉降量逐渐增加最后趋于稳定。未采取加固措施的工况拱顶沉降量最大接近55 mm，采取超前小导管注浆支护能起到减小拱顶沉降的作用(沉降量为48.6 mm)，采用超前小导管注浆与棚管支护联合形式可将拱顶沉降量控制在45 mm，当采用袖阀管注浆时，拱顶沉降在28 mm左右，相较于无防护时降幅达50%，加固效果显著，当采用全注浆时，拱顶沉降仅比袖阀管注浆减小了1.6 mm，由此可见，袖阀管注浆是降低拱顶沉降的最有效措施。
图6 空洞下方拱顶收敛曲线
5.1 地表沉降
地表竖向位移的实际监测值与数值模拟计算结果如图7所示。结果表明，在地表发生沉降位移的初期阶段，地表的沉降量较小并且变化的速度较小。对比地表沉降实际监测值和数值模拟结果显示，数值模拟基础工况地表沉降量范围包括实际监测地表沉降量范围，表明在基础工况上进行注浆加固可以保障隧道施工安全性。随着隧道开挖施工，土层受到较大扰动，沉降量急剧增大。在施工后期地表沉降量衰减到一定程度就变为一种稳定变化的时期，沉降量只有小范围的增加，沉降量达到稳定时期。
图7 地表竖向位移对比分析图
5.2 围岩压力
随着时间推移，围岩压力注浆趋于稳定，稳定后围岩压力分布如图8所示。从实测结果可以看出，在全注浆工况下围岩压力分布均匀，且压力值相对较小，能满足地铁区间隧道施工稳定性要求。另外，从调取无防护条件下的隧道围岩压力计算值与袖阀管注浆计算结果和实际全注浆实测结果对比分析可看出，袖阀管注浆加固计算结果与全注浆实测结果接近，说明袖阀管注浆加固措施能有效提高围岩抗力，充分发挥围岩的自承载能力。
图8 初支最大围岩压力变化分布图(单位:kPa)
5.3 衬砌结构内力
监测结果显示(图9)，拱顶和拱底处钢筋轴力最后稳定在9～11 kN，左右侧拱腰、拱肩及拱脚处钢筋轴力最后稳定在13～25 kN。整个衬砌结构都是受压状态，其中左拱腰和右拱脚所受压力较大，主要是该处围岩扰动较大，因此需要进行加固处理。数值计算过程中衬砌单元以板单元进行模拟，将板单元的轴力近似为钢筋轴力进行分析，从计算结果与监测结果对比分析可看出，袖阀管注浆条件下计算结果与全注浆条件下的实测结果接近，由此说明，袖阀管注浆可以增大左右两侧的土层强度，从而减小衬砌钢筋轴力，也保证了衬砌内隧道空间的安全。
图9 隧道衬砌最大钢筋轴力分布图 (单位：kN)
通过建立人防空洞区段下隧道在不同工况中的三维数值分析模型，在隧道采用环形台阶开挖预留核心土法开挖时，针对隧道围岩收敛变形、初支主应力和内力分布进行分析，得出以下结论：
(1)超前小导管注浆和棚管支护两种加固措施能够减少隧道围岩变形与地表沉降，但效果不太显著，而且会造成隧道拱腰处发生应力集中现象；
袖阀管注浆加固可以最有效保护隧道拱脚以上部分不受空洞下的围岩变形影响；
(2)袖阀管注浆加固对隧道围岩扰动最小，可以最大限度保障隧道施工人员安全和结构稳定；
(3)在进行台阶法施工时，需要及时施做仰拱，进行袖阀管注浆固结，从而有效控制地表沉降，使得地表沉降量达到稳定。
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