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城市地铁隧道工作面开挖的地层应力分布规律
摘 要：基于深圳地铁实测资料，系统地分析了隧道：工作面开挖的地层应力分布特征，揭示了城市地铁隧道上：作面围岩应力重分布的规律，提出了浅埋隧道围岩应力的分区概念。
关键词：隧道工程：城市地铁隧道；地层应力；分布特征
1 引言
采用浅埋暗挖法开挖城市地铁隧道，其应力临测相对其变形观测较少，尤其是用来完整分析地层应力分布的量测资料十分匮乏。因此，城市地铁隧道工作面开挖的地层应力分布规律的系统研究，对地铁隧道的结构设计、施工等具有重要意义。
本文利用深圳地铁隧道现场测试资料，拟对城市地铁隧道开挖的地层应力分布规律进行研究。
2 测试断面的工程概况
针对深圳地铁浅埋暗挖法部分标段，如双洞双线隧道的5，6和13标及单洞重叠线隧道的3A和3C标，地表沉降相对较大。本文选取6和3A标作为重点观测研究对象，其他标段由施工方配合观测。
2.1 6标段测试断面概况测试断面里程为左SK5+070。双线隧道中心线距为13 m。隧道埋深为9.8 m，上覆地层依次为素填土、中砂、粘土和砂质粘性土。其中富水砂层厚度为4.0 m，相对隔水层厚度为2.2 m。地下水埋深为2.5m，断面为马蹄形(6.5mx6.6m(宽×高))。初期支护为φ22 mm格栅钢架+φ6 mm钢筋网(150mm~150mm)+250mm厚C20喷射混凝土；超前支护为φ32mm~3.25mm短注浆双排小导管，其布置布置在拱部150°范围。施工采用台阶法，台阶(核心土地)长度为8m。
2.2 3A标段测试断面概况
测试断面里程为SKi+487.5。隧道埋深为13m，上覆地层依次为素填土、软土、中砂、砾砂和粉质粘土。其中富水砂砾层厚度为5 m，相对隔水层厚度为2．6m。地下水埋深为1．5m。断面为直墙拱形(6.8m×l3m(宽×高))。初期支护为φ25mm格栅钢架+φ8mm钢筋网(150mnl~150mm)+300mm厚C20喷射混凝土。超前支扩采用注浆小管棚φ76mm~5mm加注浆小导管φ42mm~4mm，其布置范围为拱部。施工采用4步台阶法，3个台阶均设临时横撑。
3 现场测试内容与测点布置
围岩应力测试包括：(1)超前小导管应变测试；(2)围岩与初期支护接触应力测试；(3)孔隙水压力测试；(4)初期支护结构内力测试；(5)拱脚接触应力测试。
超前小导管应变测试采用胶基箔式3 mmX5mm应变片；接触应力采用1.0 MPa土压力盒：孔隙水压力采用0.2 MPa钢弦式压力计；结构内力采用钢弦式钢筋计。
超前小导管应变测点布置是取φ32 mm×2.5 m的小导管，上、下对称布点各5个，安装在拱顶和拱腰处(设置3根补偿管)。6标段应力测点布置见图1。3A标段应力测点布置基本同6标，但因是重叠隧道，故测点数目有所增加。
图1 6标段应力测点布置
4 工作面开挖的围岩应力变化
4.1 围岩径向接触应力分布规律
6标段各测点围岩径向应力历时变化趋势见图2。
图2 6标各测点围岩径向应力历时变化趋势
图2中横坐标观测时间的正号表示已封闭成环，负号表示未封闭，以下同。
由所测的围岩径向应力并结合3A，3C(与3A紧邻，工程条件相同)等标段的实测资料可得，其应力分布规律如下：(1)拱腰和仰拱处的围岩径向应力较大：而拱顶与仰拱底处的围岩径向应力均较小，相比较而言，最小值产生在两侧墙，其大小排序为P抑拱>P拱部P>边墙；(2)对双线隧道，由于右线开挖影响，在仰拱部位，总的表现特征是仰拱右侧处的径向应力大于其左侧；(3)3A标段断面的径向应力较6标为大，原因为3A标设临时仰拱且断面下部分处于风化岩上，围岩变形相对较小，故由“地层-支护”特征曲线可知，其必然导致径向应力大；(4)在结构未封闭成环之前，拱部变形过大，实测应力值较小，随时间延长，初期支护结构刚度及强度提高，其支护抗力逐渐增大，反映为围岩施加于支护的径向应力也随之变大，这符合“地层-支护”特征曲线的原理；(5)拱部压力在下台阶开挖至断面里程时，开挖边墙前后的压力值产生了较大的改变。此时，拱顶压力增大，而两拱腰却稍有下降。随下半断面支护结构的施作，整体刚度提高，拱部压力存在一个“平台”(压力大小不变)或“卸荷”(压力略有下降)现象，随整个支护结构的应力调整和再分配，拱部压力又重新进入一个缓慢增长直至稳定的过程；(6)边墙与仰拱处的压力变化趋势基本相同，不同的是断面封闭成环后，随着结构的逐步稳定，应力的调整和再分配，仰拱的压力值增长速率相对较大，从而使仰拱部位承受了较大的围岩压力。
4.2 孔隙水压力分布特征
孔隙水压力的历时曲线见图3。由图3以及在3A，3C标等的量测资料可知，孔隙水压力的分布特征为：(1)初期支护未封闭成环前，孔隙水压力随工作面推进有降低的趋势，表明工作面处的孔隙水压力为最小值，而随着断面的封闭，孔隙水压力逐渐增加，至一定值后渐趋稳定；(2)拱顶部位孔隙水压力为负值，表明该处土体处于松驰状态，为剪性张拉区；(3)仰拱处的孔隙水压力为最大，其次为下台阶的右下侧和左下侧：(4)孔隙水压力分布与围岩径向应力分布特征基本类似。
图3 孔隙水压力的历时曲线
4.3 初期支护格栅钢架结构内力
由所测的格栅钢架主筋的截面轴力和弯矩的变化趋势通过结构简化而计算，见图4和5。
由图4，5可知，(1)在观测断面安装后7d(开挖工作面距测试断面1.39D)，初期支护的上半断面轴力，在封闭后符号变异。封闭成环后，上、下断面的截面轴力有增加的趋势，然后呈稳定态势且拱部略有下降。(2)上半断面结构的轴力在刚安装时为压力，其后变为拉力。拱部轴力在封闭成环后，变为压力，两拱腰也由受拉变为受压；下半断面左右两边墙以及仰拱两侧轴力均为压力，而在仰拱底处由开始的拉拉逐渐趋变为压力状态。上述特征与设计的整个结构断面皆受压不相一致。(3)结构所受弯矩的分布状态为：在封闭成环后，除仰拱部以及侧墙为内侧受拉外，其他实测的结果均与设计值不同。(4)相比较而言，上半断面承受了较大的轴力和弯矩，说明上半断面的支护结构为主要承受部位。
图4 初次支扩结构截面轴力变化趋势
图5 初次支护结构截面弯矩变化趋势
4.4 超前支护体应力
对超前小导管的应力分析采用拉(压)弯组合，以拱腰小导管为例，其拉(压)应变及弯曲应变在不同开挖长度时，实测应变沿小导管长度的变化趋势见图6，7。
图6 小导管的拉、压应变的变化趋势
图7 小导管的弯曲应变的变化趋势
由图6，7及其他小导管的应变测试资料可得，超前支护小导管的应变变化特征为：(1)随工作面。开挖，超前支护体上沿全长皆有应力分布，小导管的工作状态是拉弯组合，即小导管在围岩荷载的作用下，产生弯曲的同时也伴随有拉伸。(2)随工作面推进，拉应力增加，其应变增量有向下一测点递增的趋势。(3)当工作面推进长度大于小导管长度时，尤其是上下台阶封闭成环后，小导管全部转化为受压，表明其超前作用消失。(4)由弯曲应变知，其承受地层上覆荷载的能力随小导管在土中剩余长度的减小而减小。因此设计时应该考虑，必须保证小导管在土中有一定的剩余长度。
4.5 拱脚与土体的接触应力
对浅埋暗挖法，隧道拱脚处土体的承载力将直接影响隧道拱顶下沉。为寻求减缓拱顶下沉的拱脚处理措施，分别在左、右两拱脚安设了土压力盒。实测表明，拱脚处的接触应力远超过土体的基本承载力(实测值最大为814.2 kPa，而土体的基本承载力仅为260 kPa)，倘不采取措施，必使拱顶下沉急剧增大，或者消极等待初期支护封闭成环后，才能使拱顶下沉变缓。
5 浅埋隧道应力重分布的分区认识
实测的围岩径向应力与上覆土柱荷载的比值随隧道开挖而呈现的分布规律如图8的实线部分。而对工作面前方应力的分布状态，可利用超前支护的应力量测资料作推断。由本次超前小导管的现场量测资料可知，围岩压力产生的最大应变点(应力集中峰值)距工作面的距离约为1.2m。文[11)对超前支护体的数值模拟也表明：有预加固时，隧道工作面前方约2．5m处，其围岩径向力就等于原始地应力。若没有预加固，则此距离可远至工：作面前方15m。据此可绘出随工作面开挖，其前后应力的分布规律如图8(其中工作面前方应力分布(无测点线)为推断结果。L为推进长度，D为隧道宽度)。针对深圳地铁一期工程利用ANSYS有限元软件分析的隧道工作面前方围岩应力的分布特征见图9。由图9可知，其与上述实测和分析的规律一致。
上述隧道工作面围岩应力重分布的规律也已被模型试验所验证。文[11)基于实验室试验，利用传感器所测的随工作面移动，拱顶上部围岩压力的分布规律是：隧道推进时，在上覆地层中产生了“压力波形”。在工作面前方4～9m处，围岩中的应力与原始应力相比较，逐渐增加7％～18％。
图8 围岩压力与土柱荷载比值随开挖的分布规律
图9 工作面前方围岩应力分布特征
在工作面前2～4m处达到最大值，然后在工作面前方0.5—2.5m距离处降低到原始应力，并在已安装的衬砌处降到原始应力的40％～50％。在工作面处为原始应力的70％～95％。工作面通过一段距离后，围岩压力逐渐增加而接近原始应力。
基于实测以及上述分析，可提出浅埋城市地铁隧道工作面，沿隧道推进方向，其围岩应力分布可分3个区域，如图10。图10中， I为原始地应力区，Ⅱ为增压区，Ⅲ为应力降低区(减压区或卸荷区)。1为应力影响边界线，2为应力峰值线，3为卸荷边界线。
6 结 论
(1) 浅埋隧道拱顶处的围岩压力并不是设计的上覆土柱荷载。围岩压力排序为：P抑拱>P拱部>P边墙，因此浅埋隧道的仰拱结构设计应具特殊性。
(2) 实测孔隙水压力表明，拱部土体处于松驰状态，为剪性张拉区(膨胀)，而仰拱处的孔隙水压力为最大，其分布特征与应力分布基本类似。
