哈爾濱地鐵工程掌子面及隧道洞身穩定性研究

全強 郭文靜 史培賀

摘? 要：本文依托哈爾濱地鐵粉質黏土隧道工程，基于超前小導管的支護作用，并根據圍巖亞級劃分的標準，建立了雙參數下超前小導管支護的彈性地基梁受力模型，開展了超前小導管支護下的隧道掌子面穩定性評估，并基于收斂約束法進行了隧道開挖過程中不用支護情況的彈塑性二次應力狀態分析，開展了隧道洞身穩定性及襯砌結構穩定性評價。

關鍵詞：超前小導管;掌子面穩定性;收斂約束法;隧道洞身穩定性

Research on Excavation Face and Tunnel Stability of Harbin Metro Engineering

QUAN Qiang1? GUO Wenjing2? SHI Peihe2

（1.Harbin Metro Group Co. Ltd.， Harbin， Heilongjiang Province， 150080 China; 2.? Geotechnical and Structural Engineering Research Center， Shandong University， Jinan， Shandong Province， 250061 China）

Abstract： Based on the silty clay tunnel project of Harbin metro， based on the support effect of advance small conduit and the standard of sub grade classification of surrounding rock， the mechanical model of the double-parameter elastic foundation beam supported by the leading ductile was established， and the stability evaluation of the excavation face under the action of the leading ductile was carried out. Based on the convergence constraint method， the elastic-plastic secondary stress state without support during tunnel excavation is analyzed as well， and the stability of tunnel body and lining structure are evaluated.

Key Words： Leading ductile; Stability of the excavation face; Convergence constraint method; Stability of the surrounding rock

隧道掘進過程中，掌子面和圍巖的變形是影響隧道開挖過程中圍巖穩定性的重要因素，所以保證掌子面及圍巖的穩定性對施工安全至關重要。根據工程地質勘察報告，哈爾濱地鐵工程主要為粉質黏土地層，且采用臺階法開挖。本文依托該工程，基于超前小導管的支護機理，通過建立掌子面穩定性模型研究其破裂機制，從而進行掌子面穩定性的評估;并通過分析隧道圍巖彈塑性分布研究其二次應力狀態，從而對隧道的洞身穩定性進行評估。

1開挖掌子面穩定性評價

哈爾濱地鐵隧道工程的支護形式為超前注漿小導管支護^[1]、初期支護及二次襯砌相結合。但對于隧道掌子面土質情況較差、超前小導管參數不合理或支護措施不及時等情況，超前小導管對隧道圍巖的支護作用將會大大減小，極易導致坍塌事故，所以必須根據具體工程情況進行掌子面穩定性分析。

1.1 超前小導管支護作用機理

1.1.1 自身加固機理

（1）錨桿作用。將超前小導管打入隧道拱頂一定范圍內，提高圍巖的承載能力。（2）漿液通道作用。小導管管體鉆孔后形成通道，有利于漿液擴散，從而提高土體承載力。（3）棚架作用。開挖初期未支護時，超前小導管可以支撐部分土體，有利于保證掌子面的穩定性。

1.1.2 注漿加固機理

漿液對土體的擠密壓縮有利于提高圍巖穩定性;且注漿后土體的內摩擦角、粘聚力得以增大，抗剪能力提高^[2]。

1.2 超前小導管支護作用理論模型

對超前導管的受力及變形情況進行綜合分析，建立如圖1所示的雙參數下的超前小導管有限長彈性地基梁受力模型。

對小導管進行受力分析，可得導管的彎矩剪力Q（x）、彎矩M（x）、轉角θ（x）及導管內壁縱向應變ε（x）：

其中，D為超前小導管的外徑，δ為超前小導管的壁厚。

1.3 超前小導管作用下掌子面穩定性定量評價

1.3.1 掌子面穩定性評價模型

基于超前小導管的支護作用，并根據掌子面前方土體的破裂機制，提出一種掌子面穩定性計算模型，該模型適用于粉質黏土隧道臺階法開挖工程，如圖2所示。

1.3.2 掌子面穩定性定量評價

基于掌子面穩定性計算模型，對滑移體進行極限平衡分析，可得各級圍巖在有無支護情況下的穩定性系數，見表1所示。

參考《建筑邊坡工程技術規范》^]并結合表1可知，為保證掌子面穩定性，在粉質黏土地層中：對于V級圍巖，無需采用超前導管支護便可保證掌子面穩定;對于Ⅵ₁級圍巖，須采用超前導管支護，并依據工程具體情況決定是否需要進行注漿;對于Ⅵ₂級圍巖，因其土質較差，超前小導管支護也無法確保掌子面的穩定性，所以須采用深孔注漿加固技術或施加超前管棚支護。

2 隧道洞身穩定性評價

2.1 圍巖彈塑性分布二次應力狀態

假設圍巖為彈塑性模型，支護結構為線彈性模型，計算時忽略圍巖、支護結構等的自重?；谄矫鎽儐栴}分析方法，通過虛擬支撐力逐步釋放法^[3]，對支護結構施做時機、圍巖應力釋放對隧道開挖產生的影響進行模擬，將隧道開挖過程分為初始階段、開挖階段、支護階段，詳見圖3。

通過土工試驗獲得粉質黏土的壓縮模量，并換算為彈性模量?；谝陨嫌嬎隳Ｐ蛯鷰r彈塑性應力狀態進行分析，可得：

2.2收斂約束法關鍵曲線

2.2.1圍巖收斂特征曲線

選取支護抗力大于最小支護力、且圍巖變形滿足規范要求的支護時機，將所選擇的不同支護時機施做初襯所得的支護壓力P₁代替虛擬支撐力，可得圍巖收斂特征曲線，見圖4。

對松動區內滑移體進行極限平衡分析，即可得作用在支護結構上的最小支護力和最大安全塑性區范圍。

2.2.2洞身縱向變形曲線

在鋼格柵拱架與噴射混凝土共同支護下，支護結構的剛度隨著時間的增長不斷增大，所以圍巖的應力釋放率^[4]必定將越來越小并趨近于某一值。且圍巖通過變形完成應力釋放，所以應力釋放率與收斂變形必定存在著相應的關系，通過擬合公式可以得到施加支護結構后的洞身縱向變形曲線，見圖5。

將現場監測到的拱頂沉降值和理論值進行對比分析：理論值的標準誤差相比于實測值均小于1.5，并且相關系數近似為1。以上表明本模型方法得到的支護施做后拱頂沉降的大小及規律較為符合實際，可應用于具體工程。

2.2.3支護特征曲線

基于支護結構參數，對前期格柵單獨支護和后期格柵與噴混凝土聯合支護^[5]分別進行分析，可得到各亞級圍巖的支護特征曲線，如圖6至圖8。

由圖可知：對于V級圍巖，最大支護反力大于支護與地層特征曲線的平衡點應力，且圍巖變形滿足規范要求;對于Ⅵ₁、Ⅵ₂級圍巖，施加支護結構前，圍巖已經產生較大的變形和位移，因此須提前支護時機，采取超前支護的方法。

2.3 容許位移安全系數

為使得圍巖變形在規范允許的合理范圍內，通過分析不同亞級粉質黏土的洞身收斂變化，得到洞身收斂容許位移安全系數^[6]，見表2。

由表2可知，在上述開挖支護措施下，V級粉質黏土的容許位移安全系數為2.91，滿足施工要求;Ⅵ₁級粉質黏土的容許位移安全系數為1.40，且支護結構剛度也滿足要求，因此需要采用超前小導管支護;對于Ⅵ₂級粉質黏土，支護結構的剛度已滿足要求，但是在掌子面進行開挖前，圍巖已經產生較為大的變形，所以須在開挖前進行加固，從而保證施工安全。

3 結論與展望

3.1 研究結論

本文根據超前小導管支護作用機理，對哈爾濱地鐵粉質黏土隧道開挖工程開展了圍巖的穩定性分析，研究結論如下。

（1）建立了雙參數下超前小導管的彈性地基梁受力模型，提出了適用于粉質黏土隧道開挖工程的掌子面穩定性分析模型，并對掌子面進行穩定性評估。結果表明：對于V級圍巖，無需采用超前導管支護便可保證掌子面穩定;對于Ⅵ₁級圍巖，須采用超前導管支護，并依據工程具體情況決定是否需要注漿;對于Ⅵ₂級圍巖，因為其土質情況較差，即使采用超前小導管支護也無法滿足掌子面的穩定性要求，所以須采用深孔注漿加固技術或施加超前管棚支護。

（2）分析了圍巖的彈塑性分布二次應力狀態，并根據收斂約束法得到圍巖收斂特征曲線、洞身縱向變形曲線和支護特征曲線，并基于容許位移安全系數，對隧道洞身的穩定性進行了評估。結果表明，支護結構的承載力滿足施工安全要求，但Ⅵ₁、Ⅵ₂級粉質黏土隧道應當借助超前支護，從而保證圍巖穩定性。

3.2展望

本文在以下方向有待進一步開展。

（1）本文通過土壓力計算經驗公式開展掌子面穩定性分析，下一步應根據試驗及計算得到精確土壓力值。

（2）本文通過理論模型和數值計算分析了隧道掌子面前方土體的破裂模式，今后應結合模型試驗來驗證土體的破裂形態。

（3）本文主要考慮超前小導管的縱向“棚架”作用，暫未分析其橫向成拱作用，今后應當在該方面展開研究，以完善超前小導管的支護理論。

參考文獻

[1]AN Yong-lin，ZHOU Jin，OUYANG Peng-bo，LI Jia-hao.Analysis of tunnel face stability with advanced pipes support[J].Jounal of Central South University，2021（28）：604-617.

[2]程少振.土體劈裂注漿擴散與加固機理及工程應用[D].北京：北京交通大學，2019.

[3]劉曉偉.基于虛擬支撐力逐步釋放法的襯砌支護結構安全性分析[J].河南科技，2020（1）：95-98.

[4]徐東強，曹富興，薛宇飛，等.山嶺隧道Ⅳ級圍巖不同應力釋放率下施作二襯規律[J].科學技術與工程，2019，19（27）：358-363.

[5]李樹忱，晏勤，謝璨，等.膨脹性黃土隧道鋼拱架-格柵聯合支護力學特性研究[J].巖石力學與工程學報，2017，36（2）：446-456.

[6]常佳文.基于收斂約束法隧道支護作用的縱向解析及相關研究[D].北京：北京交通大學，2019.